DE19946654B4

DE19946654B4 - Ventil für die Flüssigkeitstrenntechnik

Info

Publication number: DE19946654B4
Application number: DE19946654A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dehmer
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1999-09-29
Filing date: 1999-09-29
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: US7036526B1; US20060124180A1; DE19946654A1

Abstract

Ventil für die Flüssigkeitstrenntechnik mit einem eine Einlaßöffnung (31) und wenigstens zwei mit dieser in Strömungsverbindung bringbaren Auslaßöffnungen (32, 33) aufweisenden Ventilkörper (21), in dem ein Absperrflächen (48, 49) umfassendes, mit einem freien Ende (62) eines Betätigungsglieds verbundenes Verschlußelement (45) für ein alternatives Verschließen der Auslaßöffnungen (32, 33) mittels der jeweils kegel oder kugelmantelsegmentförmigen Absperrflächen (48, 49) angeordnet ist, wobei die den Auslaßöffnungen (32, 33) zugeordneten Absperrflächen (48, 49) voneinander weg weisend ausgebildet sind, und wobei im verschlossenen Zustand einer der Auslaßöffnungen (32, 33) das Verschlußelement (45) mit seinen, dieser Auslaßöffnung (32, 33) zugeordneten Absperrflächen (48, 49) an Absperrgegenflächen (84, 94) eines Ventilsitzes (36, 37) des Ventilkörpers (21) unter Ausbildung einer Ringdichtfläche (78) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die dem freien Ende (62) des Betätigungsglieds gegenüberliegende Absperrgegenfläche (84) des Ventilkörpers (21) in Richtung auf die Auslaßöffnung (32) kegelmantel- oder trichterförmig verjüngt ausgebildet ist und daß ein zwischen der Absperrgegenfläche (84) und...

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil für die Flüssigkeitstrenntechnik, insbesondere für die analytische oder präparative HPLC, mit einem eine Einlaßöffnung und wenigstens zwei mit dieser in Strömungsverbindung bringbaren Auslaßöffnungen aufweisenden Ventilkörper, in dem ein Absperrflächen umfassendes Verschlußelement für ein alternatives unmittelbares Verschließen der Auslaßöffnungen mittels der jeweils kegel- bzw. kugelmantelsegmentförmigen Absperrflächen angeordnet ist.
Die mittels Flüssigkeitstrenntechnik, beispielsweise der analytischen oder präparativen HPLC getrennten Proben müssen auf eine geeignete Weise transportiert bzw. gesammelt werden. Wichtige Kriterien für das System und die Trennparameter sind eine optimale Auflösung pro Zeiteinheit oder ein hoher Durchsatz der zu isolierenden Substanz bei vorgegebener Reinheit. Diese wird mittels geeigneter Detektoren gemessen. Zur separaten Sammlung der jeweiligen Fraktion werden detektorgesteuerte Ventile eingesetzt, mit deren Hilfe der die Trennsäule verlassende Flüssigkeitsstrom in hierfür geeignete Sammelbehälter übergeleitet wird.

Zu diesem Zwecke sind eine Reihe von Ventilen bekannt, die jedoch alle bestimmte Nachteile aufweisen. Ein erster entscheidender Nachteil kann dadurch entstehen, daß bedingt durch die Ventilkonstruktion eine signifikante Bandenverbreiterung auftritt, das heißt die gewünschte Trennung nicht erreicht wird. Dies kann durch ungünstige Führung und Gestaltung der Kanäle sowie insbesondere durch ungünstige Gestaltung der Ventilräume verursacht sein, beispielsweise bedingt durch Totzonen, wie Sacklöcher oder schlecht durchspülte Hohlräume, aber auch durch die Größe des internen Ventilvolumens selbst. In diesen Bereichen können sich Fraktionenanteile verschleppen und dadurch den nachfolgenden Fraktionen wieder beimischen. Ferner können beim Umschalten der Ventile teilweise erhebliche Druckspitzen auftreten, die durch kurzzeitige Kanalüberdeckung und/oder Volumenverschiebungen beim Umschalten auftreten können. Diese Druckimpulse können zu entsprechenden Signalstörungen im Chromatogramm der zur Steuerung des Ventils dienenden Detektoren führen, wodurch ein falscher Triggerimpuls für den Schaltzeitpunkt der Ventile induziert werden kann. Dies kann sich katastrophal auf die Qualität der zu sammelnden Fraktionen auswirken. Weitere Nachteile können sich in Verbindung mit konstruktionsbedingt großen Umschaltkräften und/oder großen Kräften ergeben, die zur Gewährleistung einer ausreichenden Dichtheit in der Absperrposition der Ventile auftreten. Dadurch sind große und starke Antriebe erforderlich, was den Forderungen nach einem möglichst kleinen Einbauraum entgegensteht.

Schließlich kann es, abhängig von den jeweiligen Ventilkonstruktionen, bei auf der Auslaßseite auftretenden Gegendrücken zu einem unbeabsichtigten Öffnen des Ventils bis hin zu einer frühzeitigen Zerstörung von wesentlichen das Ventil bildenden Teilen kommen.

Ein als Membranventil bekannt gewordenes Umschaltventil für die Flüssigkeitstrenntechnik, welches die vorstehend bezeichneten Merkmale aufweist, besteht aus einem Ventilkörper mit einem Einlaßkanal, der in einem dazu senkrecht angeordneten Ringkanal mündet. Der Ringkanal kann wahlweise durch einen von zwei sich gegenüberliegenden Verschlußkegeln verschlossen werden, deren stabförmige Verlängerung im Zentrum des Ringkanals verläuft, wobei sich die Verlängerungen zur Kraftübertragung berühren. Die Kegelflächen der beiden Verschlußkegel sind dabei gegenüberliegend und derart angeordnet, daß sie die jeweils als Ventilsitz gestalteten Auslaßöffnungen des Ringkanals abdichtend verschließen können. Die beiden Verschlußkegel sind jeweils an der Kegelbasis mit einer senkrecht zum Ringkanal bzw. parallel zum Einlaßkanal ausgebildeten Membran verbunden. Diese flexiblen Membranen dichten jeweils die sich an die Auslaßöffnungen des Ringkanals anschließenden Flüssigkeitsräume ab, wobei diese Flüssigkeitsräume in Flüssigkeitsverbindung mit den eigentlichen Auslaßkanälen stehen.

Bei dieser Konstruktion finden sich besonders ungünstige sacklochartige Bereiche sowohl im Ringkanal als auch in den der Membran zugeordneten Flüssigkeitsräumen. In diesen schlecht oder gar nicht durchströmten Bereichen können sich die bereits beschriebenen Rückmischeffekte mit entsprechender Bandenverbreiterung einstellen.

Bei dieser Doppelkegelkonstruktion wirkt der sich in dem Ringkanal ausbildende Flüssigkeitsdruck entgegen der Dichtkraft, die erforderlich ist, um einen der Ventilkegel zur Abdichtung einer der Auslaßöffnungen gegen den Ventilsitz zu drücken. Dies führt zu dementsprechend großen Halte- und Umschaltkräften, so daß diese Konstruktion relativ große Antriebseinheiten benötigt.

Ferner kommt es beim Umschalten des Ventils auch bedingt durch das Membranprinzip zu einer relativ großen Volumenverdrängung. Dies kann zu einer erhöhten Trägheit des Ventils führen. Ferner können unerwünschte Druckspitzen auftreten, welche über die Beeinflussung der Detektorsignale zu einem nicht zeitgenauen Umschalten des Ventils in Verbindung mit einer unerwünschten Bandenverbreiterung führen können.

Ein weiterer Nachteil dieser Konstruktion ist es, daß bei an der Auslaßseite auftretenden Druckerhöhungen die Membranen erheblich belastet werden können. Dies kann zu einem frühzeitigen Versagen der Membranen und, im Falle eines Verschlusses des Auslaßkanals, zu einer sofortigen Zerstörung der Membranen führen.

Weiteren Stand der Technik bilden die EP-A-907045 und die EP-A-679821, die ebenfalls die vorstehend bezeichneten Merkmkale aufweisen. die EP-A-907045 betrifft eine Ventilanordnung für Heizsysteme und Wasserheizgeräte mit einem kegelmantelsegmentförmigen, voneinander weg weisende Absperrflächen umfassenden Verschlußelement, das im Bereich eines freien Endes einer Ventilstange angeordnet ist und die EP-A-679821 betrifft ein elektrisch gesteuertes Dreiwegeventil zur Ausstattung kombinierter Kreisläufe zur Warmwasserversorgung mit einem kegelmantelsegmentförmige, voneinander wegweisene Absperrflächen umfassenden Verschlußelement, das in ähnlicher Weise angeordnet ist.

Derartige Heißwasser-Verschlüsse müssen völlig anderen Anforderungen genügen als Verschlüsse für die Flüssigkeitstrenntechnik, insbesondere für die analytische oder präparative HPLC. Abgesehen davon weisen die dort offenbarten Ventilkonstruktionen ein schlechtes Ausspülverhalten auf, was bei ihrer Anwendung in der Flüssigkeitstrenntechnik zu einem unakzeptablen Trennergebnis führen würde. Außerdem weisen diese Ventile eine vergleichsweise schlechte Abdichtwirkung, insbesondere bei auf der Auslaßseite auftretenden Gegendrücken auf.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Ventil für die Flüssigkeitstrenntechnik, insbesondere für die analytische oder präparative HPLC zu schaffen, mit welchem die Nachteile des vorstehend beschriebenen Standes der Technik vermieden werden können.

Diese Aufgabe wird gemäß einem ersten Lösungsgedanken durch die Merkmale des Patentanspruches eins, insbesondere dadurch gelöst, daß die dem freien Ende des Betätigungsgliedes gegenüberliegende Absperrgegenfläche des Ventilkörpers in Richtung auf die Auslaßöffnung kegelmantel- oder trichterförmig verjüngt ausgebildet ist und daß ein zwischen der Absperrgegenfläche und einem Auslaßkanal gebildeter Auslaßraum mit einer sich konisch nach innen verjüngenden Öffnungsfläche gestaltet ist.

Durch diese relativ einfach erscheinenden Maßnahmen, läßt sich ein Ventil für die Flüssigkeitstrenntechnik schaffen, bei dem insbesondere die Gefahr der Bandenverbreiterung durch vorteilhafte Ausspülmöglichkeiten auf ein Minimum reduziert ist. Ein weiterer Vorteil eines derart gestalteten Ventils ist es, daß der auf einer Auslaßseite wirksame Flüssigkeitsdruck die Dichtkraft verstärkt und daß ein kurzer Schalthub in Verbindung mit einer geringen Volumenverdrängung ermöglicht ist. Dadurch können insbesondere kleine Impulsantriebe eingesetzt werden, die ein häufiges, präzises und schnelles Umschalten des Ventils über eine lange Zeit ermöglichen. Beim Umschalten dieses Ventils treten keine unerwünschten Druckspitzen auf, welche über den Einlaßkanal auf die Detektoren zurückwirken können. Durch diese Maßnahmen ist insgesamt eine deutlich verbesserte Qualität der Reinheit der zu sammelnden Fraktionen erzielbar, wobei sich derartige Ventile auch durch eine besonders lange Lebensdauer auszeichnen.

Dadurch, daß das Verschlußelement an einem freien Ende des Betätigungsgliedes angeordnet ist, wird eine besonders günstige Gestaltung des das Verschlußelement umgebenden Ventilkörpers und folglich der flüssigkeitsführenden Hohlräume hinsichtlich eines besonders günstigen Ausspülverhaltens ermöglicht, so daß die Bandenverbreiterung auf ein Minimum reduziert ist.

Dadurch, daß im verschlossenen Zustand einer der Auslaßöfnnungen das Verschlußelement mit seinen dieser Auslaßöffnung zugeordneten Absperrflächen an Absperrgegenflächen eines Ventilsitzes des Ventilköpers unter Ausbildung einer Ringdichtfläche anliegt, sind günstige Abdichtverhältnisse bei einer zentrierten Anlage des Verschlußelementes an dem Ventilsitz sowie eine günstige Strömungsführung auch im geöffneten Zustand ermöglicht.

Dadurch, daß die vorzugsweise dem freien Ende des Betätigungsgliedes gegenüberliegende Absperrgegenfläche des Ventilkörpers in Richtung auf die Auslaßöffnung kegelmantel- bzw. trichterförmig verjüngt ausgebildet ist, wird ein besonders günstiges Ausspülverhalten des internen hydraulichen Volumens ermöglicht. Auf diese Weise läßt sich besonders vorteilhaft die Nutzfraktion in den Primärkanal abtrennen.

Ein weiteres verbessertes Ausspülverhalten wird dadurch erreicht, daß ein zwischen der Absperrgegenfläche und einem Auslaßkanal gebildeter Auslaßraum mit einer sich konisch nach ihrer verjüngenden Öffnungsfläche gestaltet ist, so daß der mit der Absperrgegenfläche und der ringförmigen Öffnungsfläche begrenzte Auslaßraum besonders strömungsgünstig ausgebildet ist.

Zweckmäßigerweise bestehen die Absperrgegenflächen des Ventilsitzes aus einem gegenüber der Absperrfläche des Verschlußelementes weicheren und elastischen Material, vorzugsweise aus Teflon. Dies ermöglicht besonders günstige Reibungs- und Abdichtverhältnisse bei einem gegenüber den verwendeten Flüssigkeiten inertem Verhalten dieser Ventilteile.

Dabei ist es von Vorteil, wenn die Absperrgegenflächen im Bereich der Dichtfläche einen stufen- bzw. nasenartigen Vorsprung aufweisen. Dies ermöglicht eine frühzeitige und exakte Dichtanlage der Absperrflächen des Verschlußelements mit Selbstabdichtung unter Flüssigkeitsdruck.

Die vorstehende Aufgabe wird gemäß einem alternativen Lösungsgedanken durch die Merkmale des Patentanspruches 4, insbesondere dadurch gelöst, daß die dem freien Ende des Betätigungsglieds gegenüberliegende Absperrgegenfläche des Ventilkörpers in Richtung auf die Auslaßöffnung kegelmantel- oder trichterförmig verjüngt ausgebildet ist und daß die Absperrgegenflächen des Ventilsitzes aus einem gegenüber den Absperrflächen des Verschlußelements weicheren und elastischen Material bestehen und im Bereich der Ringdichtflächen einen stufen- oder nasenförmigen Vorsprung aufweisen. In gleicher Weise wie bei der ersten Lösungsalternative, wird durch die besondere Gestaltung der Absperrgegenfläche ein günstiges Ausspülverhalten des internen hydraulischen Volumens ermöglicht. Dadurch, daß die Absperrgegenflächen des Ventilsitzes aus einem gegenüber der Absperrfläche des Verschlußelements weicheren und elastischen Material bestehen, sind besonders günstige Abdichtverhältnisse erreichbar. Durch den stufen- bzw. nasenartigen Vorsprung im Bereich der Dichtfläche der Absperrgegenflächen ist eine frühzeitige und exakte Dichtanlage der Absperrflächen des Verschlußelements mit Selbstabdichtwirkung unter Flüssigkeitsdruck ermöglicht.

Wenn die Absperrgegenflächen aus Teflon bestehen, lassen sich bei einem gegenüber den verwendeten Flüssigkeiten inerten Verhalten dieser Ventilteile die Reibungs- und Abdichtverhältnisse weiter verbessern.

Zweckmäßigerweise sind die Absperrflächen radial und symmetrisch zu einer Betätigungsachse eines mit dem Verschlußelement verbundenen, vorzugsweise als Ventilstößel ausgebildeten Betätigungsglieds angeordnet. Dies ermöglicht eine günstige Selbstzentrierung und dementsprechend günstige Abdichtmöglichkeiten des Verschlußelements sowie günstige Lager- und Abdichtmöglichkeiten des Betätigungsglieds, so daß eine über lange Zeit sichere Funktion der wesentlichen Ventilteile ermöglicht ist.

Vorteilhafterweise ist das Verschlußelement an einem freien Ende des Betätigungsglieds angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders günstige Gestaltung des das Verschlußelement umgebenden Ventilkörpers und folglich der flüssigkeitsführenden Hohlräume hinsichtlich eines besonders günstigen Ausspülverhaltens, so daß die Bandenverbreiterung auf ein Minimum reduziert ist.

Vorteilhafterweise bilden die Absperrflächen und der Einlaßöffnung gegenüberliegende Flächenteile des Verschlußelements im Querschnitt einen im wesentlichen kontinuierlichen Linienzug aus. Dadurch ist eine günstige Führung und Umleitung der Flüssigkeitsströmung ohne Ausbildung von Totzonen und eine einfache und präzise Herstellung des Verschlußelements ermöglicht.

Zweckmäßigerweise schließen die Absperrgegenflächen im Bereich der Ringdichtfläche mit der Betätigungsachse des Betätigungsglieds einen Winkel ein, der größer oder gleich 15°, vorzugsweise größer oder gleich 30° beträgt. Dies ermöglicht günstige Zentrierverhältnise ohne die Gefahr eines Festklemmens des Verschlußelements am Ventilsitz.

Vorteilhafterweise sind die Auslaßöffnungen beiderseits der Einlaßöffnung gegenüberliegend ausgebildet. Dies ermöglicht bei kurzen Strömungswegen eine vorteilhafte Abdichtung ohne wesentliche Druckspitzen beim Umschalten des Ventils.

Vorstehende Maßnahmen tragen sowohl einzeln als auch in Kombination untereinander zu einer günstigen Qualität der Reinheit der zu sammelnden Fraktionen ohne wesentliche Bandenverbreiterung unter Vermeidung von Druckspitzen beim Umschalten sowie einer kleinen Baugröße in Verbindung mit kleinen Antriebseinheiten bei geringen Umschaltkräften und einer langen Lebensdauer derartiger Ventile bei.

Weitere Merkmale, Gesichtspunkte und Vorteile der Erfindung sind dem nachfolgenden, anhand der Figuren abgehandelten Beschreibungsteil entnehmbar.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:
1 einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil für die Flüssigkeitstrenntechnik;
2 einen vergrößerten Querschnitt durch den Ventilkörper mit dem darin angeordneten Verschlußelement.
Das in 1 gezeigte Ventil 20 ist als Drei/Zwei-Wege-Ventil ausgebildet, und weist den mit dem Einlaß 22 sowie dem primären Auslaß 23 und dem zweiten Auslaß 24 versehenen Ventilkörper 21 auf. Der Einlaß 22 ist mit der Anschlußbohrung 67 zum Anschluß von in den Figuren nicht gezeigten Anschlußleitungen versehen und mündet in den zylindrischen Einlaßkanal 26. Dieser mündet in die Einlaßöffnung 31, welche dem Schaltraum 35 zugeordnet ist. Der Schaltraum 35 weist ferner die primäre Auslaßöffnung 32 und die zweite Auslaßöffnung 33 auf, die der primären Auslaßöffnung 32 gegenüberliegt. Die Auslaßöffnungen 32, 33 sind symmetrisch zur Betätigungsachse 51 gestaltet und sind beiderseits der Einlaßöffnung 31 jeweils in einem Winkel von 90° zu dieser angeordnet.
In dem Schaltraum 35 ist der der primären Auslaßöffnung 32 zugeordnete erste ringförmige Ventilsitz 36 und der der zweiten Auslaßöffnung 33 zugeordnete zweite ringförmige Ventilsitz 37 angeordnet. In dem Schaltraum 35 befindet sich ferner das schaltbar und in Richtung der Betätigungsachse 51 verschiebebeweglich sowie um die Betätigungsachse 51 drehbeweglich gelagerte Verschlußelement 45, das zwischen dem ersten ringförmigen Ventilsitz und dem zweiten ringförmigen Ventilsitz angeordnet ist. Das kugelförmig ausgebildete Verschlußelement 45 ist auf dem als Ventilstößel 50 ausgebildeten Betätigungsglied befestigt, der durch den sich an die zweite Auslaßöffnung 33 anschließenden Ringkanal 55 geführt ist und kreiszylindrisch ausgebildet ist. Der Ventilstößel 50 ist in dem Radiallager 57 geführt gelagert und weist an seinem Betätigungsende 63 das Befestigungselement 64 auf, mit dem ein in den Figuren nicht gezeigter Betätigungsantrieb gekoppelt werden kann. Dieser kann insbesondere als birektionaler Impulsgeber bzw. als federvorgespannter Haltemagnet mit einem aktiven und einem passiven Schaltzustand oder ähnlichen Aktoren ausgebildet sein.
Das Radiallager 57 ist mit den Bohrungen 58, 59 versehen, durch welche die in dem Ringkanal 55 befindliche Flüssigkeit hindurchtreten kann. An das Radiallager 57 schließt sich die Radialdichtung 60 an, welche mit geeignet gestalteten Ringlippenzonen derart ausgebildet ist, daß sie unter Flüssigkeitsdruck eine selbstabdichtende Funktion ausüben kann.
Die primäre Auslaßöffnung 32 des Schaltraumes 35 steht mit dem primären Auslaßkanal 27 des Ringflansches 65 in Verbindung, der mit der Anschlußbohrung 66 des primären Auslasses 23 versehen ist. An dieser können ebenfalls geeignete Anschlußleitungen angeschlossen werden. Der Anschlußflansch 65 ist in die Gewindebohrung 69 wiederlösbar eingeschraubt und liegt mit seiner normal zur Betätigungsachse 51 ausgebildeten Innenfläche 77 an der Anlagefläche 82 des ersten ringförmigen Ventilsitzes 36 abdichtend an. Wie insbesondere aus 1 ersichtlich, kann folglich das gesamte Ventil 20 leicht montiert und justiert sowie leicht wieder demontiert werden. Dies ermöglicht eine schnelle und einfache Reinigung des gesamten Ventils 20 mit seinen wesentlichen Ventilteilen.
Der zylindrisch ausgebildete Schaltraum 35 weist den Innendurchmesser 42 und die Tiefe 43 auf. Die Abmaße bzw. das Volumen des Schaltraumes 35 ist derart auf die in ihm angeordneten Ventilteile, also dem ersten ringförmigen Ventilsitz 36, dem zweiten ringförmigen Ventilsitz 37 sowie dem am freien Ende 62 des Ventilstößels 50 befestigten Verschlußelement 45 angepaßt gestaltet, daß ein kurzer Schalthub 75 des Verschlußelements 45 in Verbindung mit geringer Volumenverdrängung ermöglicht ist. Dadurch ist das beim Umschalten des Ventils 20 verdrängte Flüssigkeitsvolumen sowie die für die Umschaltkräfte bestimmende Flächenprojektion klein, so daß kurze Schaltzeiten bei kleinen Antrieben ermöglicht sind.
Der erste ringförmige Ventilsitz 36 ist mit der Zylinderfläche 81 ausgebildet. Diese weist einen Außendurchmesser auf, der dem Innendurchmesser 42 des zylindrischen Schaltraumes 35 entspricht. Ferner weist der erste ringförmige Ventilsitz 36 die senkrecht zur Zylinderfläche 81 ausgebildete Anlagefläche 82 auf. Diese setzt sich radial nach außen in den Ringflansch 38 des Ventilsitzes 36 fort, der am äußeren Rand den Außenring 39 aufweist. Der erste ringförmige Ventilsitz 36 wird durch den Anlagering 41 des Ventilkörpers 21 aufgenommen und ist auf diese Weise kraft- und formschlüssig befestigt. Der Ventilsitz 36 weist ferner die nach innen in den Schaltraum 35 um den Winkel 83 zur Betätigungsachse 51 geneigte erste Absperrgegenfläche 84 auf, die sich über die Tiefe 85 erstreckt. Die Absperrgegenfläche 84 weist den stufen- bzw. nasenförmigen Vorsprung 86 auf, welcher die kreisringförmige Dichtlippe 87 ausbildet.
Der zweite zylindrische ringförmige Ventilsitz 37 ist durch die Zylinderfläche 91 radial begrenzt. Diese weist einen Außendurchmesser auf, der dem Innendurchmesser 42 des zylindrischen Schaltraumes 35 entspricht. Der zweite ringförmige Ventilsitz 37 weist ferner die senkrecht zur Zylinderfläche 91 ausgebildete Anlagefläche 92 auf, die an dem Ringabsatz 98 des Ventilkörpers 21 anliegt. Der zweite ringförmige Ventilsitz 37 weist ferner die in dem Winkel 93 zur Betätigungsachse 51 ausgebildete zweite Absperrgegenfläche 94 auf, die sich über die Tiefe 95 des zweiten ringförmigen Ventilsitzes 37 erstreckt. Die zweite Absperrgegenfläche 94 weist den stufen- bzw. nasenförmigen Vorsprung 96 auf, der die kreisringförmige Dichtlippe 97 ausbildet.
Der Winkel 83 der ersten Absperrgegenfläche 84 und der Winkel 93 der zweiten Absperrgegenfläche 94 beträgt im Ausführungsbeispiel etwa 30 Grad und ermöglicht ein günstiges, zentriertes, leicht abdichtendes Anliegen des Verschlußelements 45, ohne daß es zu einem Verklemmen des Verschlußelements 45 im Bereich der sich während der Abdichtung ausbildenden Ringdichtflächen 78 an dem ersten bzw. zweiten ringförmigen Ventilsitz 36, 37 kommt.
Der erste ringförmige Ventilsitz 36 geht im Bereich seines Innendurchmessers in die sich konisch nach innen, also in Richtung der Betätigungsachse 51 verjüngende Öffnungsfläche 34 der primären Auslaßöffnung 32 über. Dadurch ist der mit der ersten Absperrgegenfläche 84 und der ringförmigen Öffnungsfläche 34 begrenzte Auslaßraum 40 besonders strömungsgünstig ausgebildet. Der zweite ringförmige Ventilsitz 37 weist einen Innendurchmesser auf, der gleich groß bzw. geringfügig größer ist als der Durchmesser 54 der Bohrung 53, so daß auch dieser Bereich strömungsgünstig gestaltet ist.
Das zwischen den beiden Ventilsitzen 36 und 37 angeordnete Verschlußelement 45 ist kugelsegmentförmig mit dem Radius 73 ausgebildet und weist die kreiszylindrische Bohrung 46 auf. Diese weist im nicht montierten Zustand einen Innendurchmesser 47 auf, der geringfügig kleiner ist als der Außendurchmesser 52 des kreiszylindrischen Ventilstößels 50, so daß sich nach der Montage ein fester Preßsitz des Verschlußelements 45 auf dem Ventilstößel 50 ergibt. Das Verschlußelement 45 weist die zur ersten Absperrgegenfläche 84 orientierte erste Absperrfläche 48 und die zur zweiten Absperrgegenfläche 94 orientierte zweite Absperrfläche 49 auf. Bedingt durch die kugelförmige Gestalt des Verschlußelements 45 sind die erste Absperrfläche 48 und die zweite Absperrfläche 49 voneinander weg weisend ausgebildet. Die erste Absperrfläche 48 und die zweite Absperrfläche 49 bilden dabei einen Teil des Kugel- bzw. Kreisabschnittes 71, der mit dem Radius 73 gewölbt gestaltet ist. Dadurch ist das Verschlußelement 45 im Bereich zwischen der Einlaßöffnung 31 und der ersten sowie der zweiten Absperrgegenfläche 84, 94 mit dem im wesentlichen kontinuierlichen Linienzug 72 ausgebildet.
Das Verschlußelement 45 besteht aus Edelstahl, während der erste und der zweite ringförmige Ventilsitz 36 und 37 aus dem weicheren und elastischen Teflon besteht. Dadurch ergeben sich günstige Anlage- und Dichtverhältnisse und ein gegenüber den Flüssigkeiten der zu sammelnden Fraktionen inertes Verhalten.
Nachfolgend wird die Funktionsweise des Ventils 20 näher beschrieben:
In der aus den 1 und 2 gezeigten Stellung liegt das Verschlußelement 45 mit seiner zweiten Absperrfläche 49 abdichtend an der zweiten Absperrgegenfläche 94 des zweiten ringförmigen Ventilsitzes 37 an und verschließt dabei die zweite Auslaßöffnung 33. In dieser Stellung ist zwischen der ersten Absperrfläche 48 des Verschlußelements 45 und der erste Absperrgegenfläche 84 des ersten ringförmigen Ventilsitzes 36 der schmale Ringspalt 70 ausgebildet, durch den die gemäß dem Pfeil 25 durch den Einlaßkanal 26 und die Einlaßöffnung 31 in den Schaltraum 35 des Ventilkörpers 21 eintretende Flüssigkeit strömungsgünstig unter Ausfüllung des der primären Auslaßöffnung 32 zugeordneten Teils des Schaltraumes 35 sowie des Auslaßraumes 40 hindurchtreten kann. Aus dem primären Auslaßraum 40 kann die Flüssigkeit entsprechend der mit dem Pfeil 29 angedeuteten Richtung austreten. Auf diese Weise kann während eines ersten Zeitabschnittes, der einer ersten Fraktion, vorzugsweise der Nutzfraktion der Flüssigkeit zugeordnet ist, diese in einem geeigneten Auffangbehälter gesammelt werden.
Sobald die in den Figuren nicht dargestellte Antriebseinheit gesteuert durch einen flußaufwärts vor dem Ventil 20 angeordneten, nicht in den Figuren dargestellten Detektor, das Ventil 20 impulsartig umschaltet, wird eine transversale Verschiebebewegung des das Verschlußelement 45 tragenden Ventilstößels 50 in Richtung des Pfeils 29 induziert. Dabei bewegt sich das Verschlußelement 45 solange in Richtung des Pfeils 29, bis dessen erste Absperrfläche 48 an dem als Dichtlippe 87 ausgebildeten stufen- bzw. nasenförmigen Vorsprung 86 der ersten Absperrgegenfläche 84 dichtend anliegt. In dem kurzen Übergangszeitraum, in dem die erste Absperrfläche 48 noch nicht an dem Vorsprung 86 der ersten Absperrgegenfläche 84 anliegt, sind weder die primäre Auslaßöffnung 32 noch die zweite Auslaßöffnung 33 durch das Verschlußelement 45 verschlossen. Dadurch wird die Ausbildung von Druckspitzen vermieden.
Sobald das Verschlußelement 45 an der Dichtlippe 87 anliegt führt die durch den Einlaßkanal 26 und durch die Einlaßöffnung 31 in den Schaltraum 35 eintretende und die aus diesem wieder durch den Ringkanal 55 austretende Flüssigkeitsdruckströmung zu einem selbsttätigen zusätzlichen Andrücken der ersten Absperrfläche 48 des Verschlußelements 45 gegen die erste Absperrgegenfläche 84 des ersten ringförmigen Ventilsitzes 36, so daß der sich ausbildende Flüssigkeitsdruck wirksam die Dichtkraft unterstützt. Dabei kommt es zu einer geringfügigen Verformung des als Dichtlippe 87 gestalteten Vorsprungs 86 der ersten Absperrgegenfläche 84, so daß zur Abdichtung eine ausreichend breite Ringdichtfläche zur Verfügung steht.
In diesem, in den 1 und 2 nicht dargestellten Schaltzustand, in dem das Verschlußelement 45 gegen den ersten ringförmigen Ventilsitz 36 angepreßt wird, kann folglich die entsprechend der Richtung des Pfeils 25 eintretende Flüssigkeit der zweiten Fraktion, vorzugsweise des Eluenten, durch den Ringkanal 55 hindurchtreten. Dabei wird bedingt durch die konstruktive Anordnung und Gestaltung des Einlaßkanals 26 des Verschlußelements 45, des zweiten ringförmigen Ventilsysitzes 37 und des Schaltraumes 35 eine drallbehaftete Strömung der Flüssigkeit induziert. Dies führt zu einer vorteilhaften und vollständigen Umströmung des Ventilstößels 50 bzw. Durchströmung des Ringkanals 55. Die zweite Fraktion kann anschließend durch den zweiten Auslaßkanal 28 strömen (Pfeil 30) und steht nachfolgend an dem mit der Anschlußbohrung 68 versehenen zweiten Auslaß 24 zur Sammlung in einem geeigneten Auffangbehälter zu Verfügung.
Entsprechend den vorbeschriebenen Schritten können sich eine Vielzahl weiterer Schaltvorgänge anschließen.
In dem in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist das Ventil 20 einen unsymmetrischen, auf optimale Strömungsausbildung und Umspülung gestalteten Flüssigkeitspfad auf (Pfeile 25 und 29). Dies wird auch dadurch erreicht, daß die Einlaßöffnung 31 in unmittelbarer Nähe des zweiten ringförmigen Ventilsitzes 37 angeordnet ist, so daß auch der schmale Dichtspalt zwischen der zweiten Absperrfläche 49 des Verschlußelements 45 und der zweiten Absperrgegenfläche 49 des zweiten ringförmigen Ventilsitzes 37 optimal gespült wird. Eine Steigerung dieses Effektes kann dadurch erzielt werden, daß der Einlaßkanal 26 derart geneigt bzw. schräg angeordnet ist, daß die durch den Kanal 26 induzierte Strömungsrichtung mit der Betätigungsachse 51 einen spitzen Winkel einschließt. Die Umspülungs- und Ausströmwirkung kann noch weiter dadurch verbessert werden, daß der Einklaßkanal 26 exzentrisch zur Betätigungsachse 51 derart schräg ausgebildet ist, daß die durch den Einlaßkanal 26 ausgebildete Strömung im Abstand von der Betätigungsachse 51 verläuft, so daß der durch die Einlaßöffnung 31 in den Schaltraum 35 gelangenden Flüssigkeitsströmung ein Drall um die Betätigungsachse 51 aufgeprägt wird.
Es versteht sich, daß das Verschlußelement 45 außer am freien Ende 62 des Ventilstößels 50 auch im Bereich eines in Richtung des Betätigungsendes 51 verschobenen Teils des Ventilstößels 50 angeordnet sein kann, so daß beiderseits des Verschlußelements 45 ein dem Ringkanal 55 entsprechender Ringkanal ausgebildet sein kann. Es versteht sich ferner, daß auf einem einzigen Ventilstößel 50 mehrere, jeweils axial in Richtung der Betätigungsachse 51 versetzt angeordnete Verschlußelemente 45 befestigt sein können und dementsprechend mehrere weitere Ein- und Auslaßkanäle geschaffen sein können. Dadurch können vorteilhaft mehrere flüssigkeitsführende Kanäle gleichzeitig geschaltet werden.

Claims

Ventil für die Flüssigkeitstrenntechnik mit einem eine Einlaßöffnung (31) und wenigstens zwei mit dieser in Strömungsverbindung bringbaren Auslaßöffnungen (32, 33) aufweisenden Ventilkörper (21), in dem ein Absperrflächen (48, 49) umfassendes, mit einem freien Ende (62) eines Betätigungsglieds verbundenes Verschlußelement (45) für ein alternatives Verschließen der Auslaßöffnungen (32, 33) mittels der jeweils kegel oder kugelmantelsegmentförmigen Absperrflächen (48, 49) angeordnet ist, wobei die den Auslaßöffnungen (32, 33) zugeordneten Absperrflächen (48, 49) voneinander weg weisend ausgebildet sind, und wobei im verschlossenen Zustand einer der Auslaßöffnungen (32, 33) das Verschlußelement (45) mit seinen, dieser Auslaßöffnung (32, 33) zugeordneten Absperrflächen (48, 49) an Absperrgegenflächen (84, 94) eines Ventilsitzes (36, 37) des Ventilkörpers (21) unter Ausbildung einer Ringdichtfläche (78) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die dem freien Ende (62) des Betätigungsglieds gegenüberliegende Absperrgegenfläche (84) des Ventilkörpers (21) in Richtung auf die Auslaßöffnung (32) kegelmantel- oder trichterförmig verjüngt ausgebildet ist und daß ein zwischen der Absperrgegenfläche (84) und einem Auslaßkanal (27) gebildeter Auslaßraum (40) mit einer sich konisch nach innen verjüngenden Öffnungsfläche (34) gestaltet ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrgegenflächen (84, 94) des Ventilsitzes (36, 37) aus einem gegenüber den Absperrflächen (48, 49) des Verschlußelements (45) weicheren und elastischen Material bestehen.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrgegenflächen (84, 94) im Bereich der Ringdichtflächen (78) einen stufen- oder nasenförmigen Vorsprung (86) aufweisen.
Ventil für die Flüssigkeitstrenntechnik mit einem eine Einlaßöffnung (31) und wenigstens zwei mit dieser in Strömungsverbindung bringbaren Auslaßöffnungen (32, 33) aufweisenden Ventilkörper (21), in dem ein Absperrflächen (48, 49) umfassendes Verschlußelement (45) für ein alternatives Verschließen der Auslaßöffnungen (32, 33) mittels der jeweils kegel- oder kugelmantelsegmentförmigen Absperrflächen (48, 49) angeordnet ist, wobei die den Auslaßöffnungen (32, 33) zugeordneten Absperrflächen (48, 49) voneinander weg weisend ausgebildet sind, und wobei im verschlossenen Zustand einer der Auslaßöffnungen (32, 33) das Verschlußelement (45) mit seinen, dieser Auslaßöffnung (32, 33) zugeordneten Absperrflächen (48, 49) an Absperrgegenflächen (84, 94) eines Ventilsitzes (36, 37) des Ventilkörpers (21) unter Ausbildung einer Ringdichtfläche (78) anliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die dem freien Ende (62) des Betätigungsglieds gegenüberliegende Absperrgegenfläche (84) des Ventilkörpers (21) in Richtung auf die Auslaßöffnung (32) kegelmantel- oder trichterförmig verjüngt ausgebildet ist und daß die Absperrgegenflächen (84, 94) des Ventilsitzes (36, 37) aus einem gegenüber den Absperrflächen (48, 49) des Verschlußelements (45) weicheren und elastischen Material bestehen und im Bereich der Ringdichtflächen (78) einen stufen- oder nasenförmigen Vorsprung (86) aufweisen.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrgegenflächen (84, 94) aus Teflon bestehen.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrflächen (48, 49) radial und symmetrisch zu einer Betätigungsachse (51) eines mit dem Verschlußelement (45) verbundenen, vorzugsweise als Ventilstößel (50) ausgebildeten Betätigungsglieds angeordnet sind.
Ventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußelement (45) an einem freien Ende (62) des Betätigungsglieds angeordnet ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrflächen (48, 49) und der Einlaßöffnung (31) gegenüberliegende Flächenteile des Verschlußelements (45) im Querschnitt einen im wesentlichen kontinuierlichen Linienzug (72) ausbilden.
Ventil nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Absperrgegenflächen (84, 94) im Bereich der Ringdichtfläche (78) mit der Betätigungsachse (51) einen Winkel (83, 93) einschließen, der größer oder gleich 30° beträgt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnungen (32, 33) beiderseits der Einlaßöffnung (31) gegenüberliegend ausgebildet sind.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass es bei der analytischen oder präparativen HPLC Verwendung findet.