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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft im Allgemeinen Gefrier-Tau-Ventil-Technologien, die dazu geeignet sind, eine Hochdruckisolierungsfunktion durchzuführen.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die Steuerung des Flusses von Flüssigkeiten innerhalb von Kanälen mit kleinem Durchmesser weist Herausforderungen auf, wenn die Skala der Kanäle und die Flüssigkeitsvolumina vermindert werden. Ein bedeutendes Hindernis ist die Konfiguration der herkömmlichen Ventiltechnologie. Die Steuerung von Flüssigkeitsströmen in Nanoliter-Volumina erfährt eine bedeutende Beschränkung, wenn die Skala der Fluidsteuerung durch ein unsauber ausgearbeitetes Volumen bzw. Totvolumen negativ beeinflusst wird, das herkömmlichen Wechselverfahren inhärent ist. Das Verfahren zum Verwenden von Fluiden innerhalb dieser Kapillaren und Kanäle auf Nanoskalen, um als deren eigenes Ein/Aus-Ventil zu wirken, indem diese Flüssigkeit gefroren oder aufgetaut wird, ist bekannt (siehe beispielsweise
US 6,159,744 A und
5,795,788 A ). Es hat sich herausgestellt, dass der Fluss von Flüssigkeiten zu einem weiteren Kanal oder einer weiteren Kammer abgezweigt werden kann, indem lediglich die Flüssigkeit, die innerhalb eines Segments eines Rohrs oder eines Kanals enthalten ist, gefroren oder aufgetaut wird. Diese Flusswechselvorrichtung, die als ”Gefrier-Tau-Ventilierung” bzw. ”Gefrier-Tau-Ventil” bezeichnet wird, erfordert keine bewegenden Teile innerhalb des mit Lösungsmittel benetzten Fluidpfads und trägt, was viel wichtiger ist, kein Totvolumen innerhalb des analytischen Systems bei.
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Die
US 5,988,197 A beschreibt ein Gefrier-Tau-Ventil für im Wesentlichen einphasige Fluide. Das Ventil umfasst eine Rohrleitung, um das Fluid in einem Durchflussbereich aufzunehmen, eine Kältequelle und eine Wärmequelle. Die Kältequelle und die Wärmequelle sind in thermischem Kontakt mit der Rohrleitung angeordnet. Die Rohrleitung ist im Verhältnis zu der Kältequelle und der Wärmequelle derart angeordnet, um entweder ein Gefrieren des durch die Rohrleitung strömenden Fluids zu erlauben und dadurch die Passage durch die Rohrleitung zu verschließen, oder durch ein Erwärmen des Fluids die Passage zu öffnen. Die Rohrleitung besteht beispielsweise aus einem metallischen Material, das mechanisch fest ist und in der Lage ist, Wärme durch den Joule-Effekt abzuführen.
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Herkömmliche Gefrier-Tau-Ventile gefrieren eine Flüssigkeit innerhalb eines Gefrier-Tau-Segments, indem ein Strahl eines kalten Gases direkt auf das Gefrier-Tau-Segment beaufschlagt wird. Mittel, wie beispielsweise flüssiges Kohlendioxid und flüssiger Stickstoff, sind verwendet worden, um den Inhalt des Gefrier-Tau-Segments zu gefrieren. Unglücklicherweise kann das Beaufschlagen mit dem Strahl eines kalten Gases auf das Gefrier-Tau-Segment zu einem Aufbau von Reif führen, der als Isolierung wirkt, wodurch die Effizienz der Wiedergefrierung vermindert wird und es möglich wird, dass die Temperatur innerhalb des Gefrier-Tau-Segments ansteigt. Diese erhöhte Temperatur innerhalb des Gefrier-Tau-Segments führt zu einer eventuellen Fehlfunktion des Ventils. Darüber hinaus wird ein großes Gasvolumen benötigt, um diese herkömmlichen Gefrier-Tau-Ventile zu betreiben.
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Obgleich herkömmliche Gefrier-Tau-Ventile einen Strahl eines kalten Gases verwenden, der auf ein Gefrier-Tau-Segment gerichtet ist, handelt es sich beim Wärmepumpen, das auf dem Peltier-Effekt basiert, um ein gangbares Verfahren der Wärmeentfernung, um das Gefrieren der flüssigen Inhalte des Gefrier-Tau-Segments zu erreichen. Üblicherweise ist eine Kaskadenanordnung oder Reihenanordnung von Peltier-Stufen notwendig, um die erforderlichen Temperaturen für ein rasches Gefrieren des Gefrier-Tau-Segments zu erreichen. Kommerziell erhältliche sechsstufige Kaskaden sind dazu geeignet, Temperaturdifferenzen von bis zu 130°C zwischen den jeweiligen heißen und kalten Seiten der Wärmepumpe zu erzeugen. Unglücklicherweise antworten derartige Kaskaden üblicherweise nicht rasch genug, wenn eine Antriebsspannung aufgebracht wird, da, um die Temperatur zu ändern, diese Wärme übertragen müssen, die mit ihrer eigenen thermisch wirksamen Masse im Zusammenhang steht. Wenn rasche Änderungen und/oder große Änderungen der Vorrichtungstemperatur vorgenommen werden, tragen thermische Spannungen, die durch solche Veränderungen induziert werden, darüber hinaus zu einer Abnutzung der Vorrichtung und zu einer Verkürzung der Lebensdauer der Vorrichtung bei.
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Um die Probleme thermaler Spannungen bei Peltier-Wärmepumpen, die für Gefrier-Tau-Ventile verwendet werden, zu vermeiden, ist es wünschenswert, die Wärmepumpe in einem Modus zu betreiben, in dem diese mit einer im Wesentlichen konstanten Antriebsspannung bzw. mit einem im Wesentlichen konstanten Antriebsstrom angetrieben wird, was dazu führt, dass die Temperaturdifferenz zwischen der heißen und der kalten Seite im Wesentlichen konstant ist. Unglücklicherweise ist der Betrieb einer Peltier-Wärmepumpe in einem konstanten Pumpmodus nicht förderlich für deren Verwendung mit Gefrier-Tau-Ventilen, da, um Gefrier-Tau-Ventile richtig zu verwenden, es notwendig ist, in der Lage zu sein, das selbe ausgewählte Segment einer fluidischen Leitung sowohl zu gefrieren als auch aufzutauen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung stellt ein Gefrier-Tau-Ventil bereit, das eine Peltier-Wärmepumpengefrierung verwendet, wobei die Peltier-Vorrichtung ununterbrochen mit Energie versorgt wird und wobei die Ventilzustandsübergangszeit (OFFEN nach GESCHLOSSEN oder GESCHLOSSEN nach OFFEN) minimiert wird.
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Gemäß der Erfindung umfasst ein Gefrier-Tau-Ventil einen Peltier-Stapel, der auf einer Wärmeaustauschoberfläche angebracht ist, die einen Kreuzlochkupferwassermantel oder einen Verteiler enthält. Der Wassermantel entfernt unerwünschte Wärme, die durch den Peltier-Stapel gepumpt wird, einschließlich der Joule'schen Wärme, die aufgrund des elektrischen Antriebs der Peltier-Elemente entsteht. Der Wassermantel ist üblicherweise eine Komponente eines Flüssigkeitszirkulationswärmeabweisungspfads, der einen Radiator und eine Umwälzpumpe einschließt. In einer alternativen Ausführungsform wird eine mit Rippen versehene Wärmesenke verwendet, die mittels Luft gekühlt wird, um die unerwünschte Wärme von dem Peltier-Stapel zu entfernen.
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Auf der kalten Seite des Peltier-Stapels ist eine gekühlte thermisch wirksame Masse angebracht und hinsichtlich einer erwärmten thermisch wirksamen Masse mit einer kleinen dazwischenliegenden Lücke orientiert, durch welche ein Gefrier-Tau-Segment einer fluidischen Leitung angeordnet ist, die das zu gefrierende Fluid trägt. Die erwärmte thermisch wirksame Masse wird durch ein Widerstandsheizelement erwärmt, um eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Flüssigkeit beizubehalten. Sowohl die gekühlte thermisch wirksame Masse als auch die erwärmte thermisch wirksame Masse bestehen aus einem Material mit einer guten Wärmeleitfähigkeit. Die fluidische Leitung steht in unmittelbarer thermischer Berührung bzw. in unmittelbarem thermischen Kontakt mit einem bewegbaren Block niedriger Masse, der eine große Wärmeleitfähigkeit aufweist. Dieser Block niedriger Masse, der die fluidische Leitung enthält, kann abwechselnd zwischen einer Berührung mit der erwärmten Masse und einer Berührung mit der gekühlten Masse bewegt werden. Die verhältnismäßig kleine thermisch wirksame Masse des beweglichen Blocks gestattet es zusammen mit der guten Wärmeleitfähigkeit, dass dieser seine Temperatur rasch ändert, wenn dieser von einer Position bewegt wird, in der dieser die erwärmte oder die gekühlte thermisch wirksame Masse berührt. Diese Fähigkeit, rasch die Temperatur zu ändern, indem die Position des beweglichen Blocks verändert wird, ermöglicht es, dass das Gefrier-Tau-Ventil innerhalb eines kurzen Zeitraums geöffnet oder geschlossen wird, ohne dass große zyklische thermische Spannungen auf den Peltier-Stapel ausgeübt werden.
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In einer alternativen Ausführungsform ist das Gefrier-Tau-Ventil gemäß der Erfindung innerhalb eines Gehäuses (bzw. Umschließung) untergebracht, dessen Inneres unter teilweisen Vakuumbedingungen gehalten wird. Das Absaugen von Luft und dazugehörigem Wasserdampf eliminiert im Wesentlichen den Reifaufbau auf den kalten Oberflächen des Ventils. Ein Hochqualitätsvakuum kann ferner verwendet werden, um die Komponente der Wärmeübertragung zwischen den erhitzten und den gekühlten Bereichen des Ventils signifikant zu vermindern, die der Wärmeleitung und der Konvektion durch Luft zugeschrieben werden kann. Das Fehlen von Luft erlaubt es, dass das Gehäuse im Rahmen dieser beispielhaften Ausführungsform aus Materialien mit guter thermischer Leitfähigkeit hergestellt wird. Die Herstellung des Gehäuses aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit gestattet es, dass dieses als ein thermischer Kreislauf verwendet wird, der thermisch die heiße Seite der Peltier-Wärmepumpe mit der beheizten thermisch wirksamen Masse verbindet. Die Verbindung dieser zwei Komponenten ermöglicht die Übertragung von Wärme von der heißen Seite des Peltier-Elements zu der beheizten thermisch wirksamen Masse, womit es nicht mehr notwendig ist, die beheizte thermisch wirksame Masse mit Widerstandsheizelementen zu heizen.
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In einer noch weiteren beispielhaften Ausführungsform ist eine fluidische Leitung mit einem Gefrier-Tau-Segment innerhalb eines Kanals auf einer kalten Seite einer Peltier-Wärmepumpe eingebettet. Die Peltier-Wärmepumpe wird bei einer im Wesentlichen konstanten Temperatur der kalten Seite betrieben. Die Einbettung weist eine thermische Brücke mit mehreren Leerräumen zwischen dem Gefrier-Tau-Segment und der kalten Seite des Peltier-Elements auf. Um das Gefrier-Tau-Element zu ”öffnen”, wird Wärme mittels eines Widerstandsheizelements auf das Gefrier-Tau-Segment aufgebracht. Die aufgebrachte Wärme wirkt dem konstanten Abkühlen entgegen, das von der Wärmepumpe bewirkt wird. Wenn keine Wärme mehr auf die fluidische Leitung aufgebracht wird, dann kühlt die umgebende thermisch wirksame Masse des Kanalbereichs aufgrund des Wärmeflusses durch die thermische Brücke zu der kalten Seite des Peltier-Elements rasch ab. Der gekühlte Kanalbereich gefriert die Inhalte der fluidischen Leitung, wodurch das Gefrier-Tau-Ventil ”geschlossen” wird.
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Die Gefrier-Tau-Ventile gemäß der Erfindung können als einfache Isolierungsventile verwendet werden, die andere Systemkomponenten vor Druckextremen schützen, oder sie können ausgestaltet sein, Subsysteme höherer Ordnung zu erzeugen, wie beispielsweise Probeninjektoren oder Probenanreicherungssubsysteme auf Mikro- oder Nanoskalen.
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Vorteile der Ventile gemäß der Erfindung umfassen das Vermeiden von sich wiederholenden zyklischen thermischen Spannungen auf die Peltier-Vorrichtung und der resultierenden verkürzten Lebensdauer mittels der Fähigkeit, die Peltier-Wärmepumpe bei einer im Wesentlichen konstanten Wärmepumprate zu betreiben. Darüber hinaus vermeidet die Verwendung einer konstanten Temperatur der kalten Seite zusammen mit der Hin- und Herbewegung des Gefrier-Tau-Segments zu entweder der heißen oder der kalten thermisch wirksamen Masse der Vorrichtung, die langsame Antwortzeit, die mit der thermisch wirksamen Masse der Peltier-Wärmepumpe im Zusammenhang steht, was es ermöglicht, die Ventilübergangszeit auf ein Mindestmaß zu beschränken. Das erfindungsgemäße Gefrier-Tau-Ventil benötigt ferner keine große externe Verbrauchskühlungsquelle, wie dies bei bekannten Vorrichtungen der Fall ist, und daher ist die Verwendung des erfindungsgemäßen Gefrier-Tau-Ventils in kleineren analytischen Vorrichtungen denkbar. Ferner vermeidet der Betrieb der Vorrichtung innerhalb eines Vakuumgehäuses den Aufbau von Reif und die anschließende Fehlfunktion des Gefrier-Tau-Ventils.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, die die beispielhaften Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung für die Gefrier-Tau-Ventilierung gemäß der vorliegenden Erfindung darstellen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht eines sich hin- und herbewegenden Gefrier-Tau-Ventils, das mittels einer Peltier-Wärmepumpe gemäß der Erfindung gekühlt wird.
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2 zeigt ein auf dem Peltier-Effekt basierendes Gefrier-Tau-Ventil, das bei einer konstanten gekühlten Temperatur betrieben wird und durch Widerstandsheizen gemäß der Erfindung aufgetaut wird.
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3A und 3B stellen ein auf dem Peltier-Effekt basierendes Gefrier-Tau-Ventil mit einem alternativen Verfahren zum Tauen gemäß der Erfindung dar.
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4 zeigt eine schematische Ansicht eines mikrofluidischen Probenanreicherungssubsystems, das eine Peltier-Wärmepumpe zum Kühlen gemäß der Erfindung verwendet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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In 1 ist ein beispielhaftes Gefrier-Tau-Ventil gemäß der Erfindung gezeigt. Dieses beispielhafte Gefrier-Tau-Ventil wird durch einen Peltier-Stapel 101 gekühlt, der eine heiße Seite 103 und eine kalte Seite 104 aufweist. Die heiße Seite 103 des Peltier-Stapels 101 ist an eine Wärmeaustauschoberfläche 102 angebracht. Die Wärmeaustauschoberfläche 102 besteht aus einem Kreuzlochkupferwassermantel oder einem Verteiler. Diese Wärmeaustauschoberfläche 102 ermöglicht es, dass Wärme von der heißen Seite 103 des Peltier-Stapels 101 entfernt wird, die durch das nützliche Wärmepumpen und durch die Leistungsdissipation innerhalb der elektrischen Antriebselemente innerhalb des Peltier-Stapels 101 entsteht. Bei dem Wassermantel, der innerhalb der Wärmeaustauschoberfläche 102 enthalten ist, handelt es sich üblicherweise um eine Komponente eines Flüssigkeitszirkulationspfades mit einem kleinen Radiator und einer Zirkulationspumpe bzw. Umwälzpumpe. Der Zirkulationspfad verbindet den Wassermantel bei Kühlanschlüssen 120. Die kalte Seite 104 des Peltier-Stapels 101 ist an eine gekühlte thermisch wirksame Masse 106 angebracht. Die gekühlte thermisch wirksame Masse 106 besteht aus Materialien mit guter thermischer Leitfähigkeit.
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Eine beheizte thermisch wirksame Masse 107 ist gegenüber der gekühlten thermisch wirksamen Masse 106 orientiert. Die beheizte thermisch wirksame Masse 107 besteht aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit und wird mittels eines Widerstandsheizelements 108 geheizt. Das Widerstandsheizelement 108 ist an die geheizte thermisch wirksame Masse 107 angebracht und bewirkt, dass diese auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunkts der mobilen Phase erwärmt wird, die ventiliert werden soll. Sowohl die beheizte thermisch wirksame Masse 107 als auch das Widerstandsheizelement 108 sind innerhalb der beispielhaften Ausführungsform durch die Verwendung eines Befestigungsblocks 109 positioniert und angebracht. Der Befestigungsblock 109 besteht aus Materialien mit hinreichender Stärke und geringer Wärmeleitfähigkeit. Die zwei thermisch wirksamen Massen 106 und 107 bestehen üblicherweise aus Materialien mit guter thermischer Leitfähigkeit, wie beispielsweise Kupfer. Andere Materialien mit hinreichender Stärke und Wärmeleitfähigkeit, wie diese dem Fachmann bekannt sind, können ebenso verwendet werden.
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Die thermisch wirksamen Massen
106 und
107 sind einander gegenüberliegend angeordnet und durch eine dazwischenliegende Lücke
110 getrennt. Die dazwischenliegende Lücke
110 weist eine hinreichende Größe auf, um einem hin und her bewegbaren Block
111 bzw. Wendeblock
111 zu ermöglichen, sich von der gekühlten thermisch wirksamen Masse
106 zu der beheizten thermisch wirksamen Masse
107 zu bewegen und umgekehrt. Der hin und her bewegbare Block
111 besteht aus Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit und ist bemaßt, eine verhältnismäßig kleine thermisch wirksame Masse bereitzustellen. In einer beispielhaften Ausführungsform besteht der hin und her bewegbare Block
111 aus Aluminium. Andere Materialien, die eine geringe Masse und eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen, können verwendet werden. Der hin und her bewegbare Block
111 enthält einen Kanal (nicht gezeigt), in dem eine fluidische Leitung
112 untergebracht ist. Diese fluidische Leitung
112 befördert eine mobile Phase, die entweder gefroren oder aufgetaut wird, um das Gefrier-Tau-Ventil zu schließen oder zu öffnen. Die fluidische Leitung
112 kann einen konsistenten Innendurchmesser aufweisen oder kann zahlreiche Geometrien und Formen verwenden, wie diese in der
US 6,557,575 B1 (Gerhardt et al.) gezeigt werden. Die fluidische Leitung
112 ist innerhalb des Kanals in unmittelbarer thermischer Berührung innerhalb des beweglichen Blocks
111 angebracht. Diese unmittelbare thermische Berührung kann entweder durch eine kleine mechanische Abstandsdimension zwischen dem Kanal und der fluidischen Leitung
112 oder die Verwendung einer wärmeleitenden Vergießungszusammensetzung erreicht werden.
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Der hin und her bewegbare Block 111 wird zwischen polaren Positionen in Berührung mit jeweils einer thermisch wirksamen Masse 106, 107 befördert. Das Befördern des hin und her bewegbaren Blocks 111 wird durch einen Betätigungsarm 114 gesteuert. Der Betätigungsarm 114 besteht aus einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit und Masse. Die Bewegung des Betätigungsarms 114 wird durch einen Spulenaktuator 115 bereitgestellt oder sie kann ebenso durch einen Luftzylinder, einen Linearmotor oder durch andere Vorrichtungen bereitgestellt werden, die dem Fachmann bekannt sind. Der Spulenaktuator 115 oder andere Antriebsmechanismen sind üblicherweise außerhalb eines Gehäuses 116 angeordnet, das die vorstehende Vorrichtung enthält. Das Gehäuse 116 verhindert, dass Luftfeuchtigkeit, die in der Umgebungsluft vorhanden ist, kondensiert und auf den gekühlten Bereichen des Gefrier-Tau-Ventils gefriert. Typischerweise ist der Betätigungsarm 114 über eine flexibel abdichtbare Öffnung 117 innerhalb des Gehäuses 116 mit dessen Antriebsmechanismus verbunden, der außerhalb der Gehäuseanordnung angeordnet ist.
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Das Gehäuse 116 ist mit einem Pumpenanschluss 118 bereitgestellt, der die Verbindung mit einem Grobvakuum erlaubt. Die Verwendung eines Grobvakuums stellt sicher, dass sich kein Wasser in flüssiger Phase irgendwo innerhalb der Anordnung ansammelt, und es stellt ferner sicher, dass Oberflächen, die wärmer als ungefähr –25°C sind, frei von Eis verbleiben. Bei extrem kalten Temperaturen (–30°C bis –80°C) ist der Dampfdruck von Eis hinreichend klein, so dass ein Grobvakuum nicht bewirken wird, dass Eis sublimiert. Um die Anordnung von Reif zu befreien, ist es daher notwendig, dass kalte Oberflächen innerhalb der Anordnung übergangsweise auf eine Temperatur erhöht werden, die –25°C oder höher beträgt. Diese erhöhten Temperaturen gestatten es, dass jedwede Eisformationen wegsublimieren.
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In einer nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform eliminiert ein Vakuum höherer Qualität im Wesentlichen die Wärmeleitung und die Wärmekonvektion durch Luft, die in dem Gehäuse 116 vorhanden ist. Die Verwendung eines Vakuums mit höherer Qualität entfernt im Wesentlichen die Luft aus dem Gehäuse 116. Die Abwesenheit von Luft gestattet es, dass das Gehäuse 116 in dieser alternativen Ausführungsform aus Materialien mit guter Wärmeleitfähigkeit besteht. Die Herstellung des Gehäuses 116 aus einem Material mit guter Wärmeleitfähigkeit erlaubt es, dass dieses als ein thermischer Kreislauf verwendet wird, der thermisch die heiße Seite 103 des Peltier-Stapels 101 mit der beheizten thermisch wirksamen Masse 107 verbindet. Die Verbindung dieser zwei Komponenten gestattet die Übertragung von Wärme von der heißen Seite 103 des Peltier-Stapels zu der beheizten thermisch wirksamen Masse 107 und macht es unnötig, die beheizte thermisch wirksame Masse 107 mit dem Widerstandsheizelement 108 zu heizen. In dieser Konfiguration besteht der Befestigungsblock 109 aus einem wärmeleitfähigen Material.
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Eine weitere nicht zur Erfindung gehörende Ausführungsform, in der eine Peltier-Wärmepumpe zum Kühlen innerhalb eines Gefrier-Tau-Ventils verwendet wird, ist in 2 dargestellt. Die Peltier-Wärmepumpe ist innerhalb dieser beispielhaften Ausführungsform eine mehrlagige Kaskadenanordnung mit ungefähr 2 bis 5 Stufen, von denen lediglich die oberste Stufe oder die kälteste Seite gezeigt ist. Die Verwendung dieser mehreren Stufen erlaubt es, dass an der kalten Seite der Peltier-Wärmepumpe hinreichend niedrige Temperaturen erreicht werden (üblicherweise ungefähr –60 bis ungefähr –80°C). Die Kaskade von Peltier-Vorrichtungen setzt die individuellen Stufen thermisch in Reihe, sodass die Temperaturunterschiede, die zwischen jeweiligen Stufen erzeugt werden, im Wesentlichen additiv sind. Die mehreren Stufen dieser nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform können je nach der Gefriertemperaturanforderung und den Eigenschaften der Leistungsquelle parallel oder in Reihe verbunden werden. Der Peltier-Stapel weist eine heiße Seite 201 und eine kalte Seite 202 auf. Auf der kalten Seite 202 ist eine Einbettungsstruktur 203 aufgebracht, die aus einem wärmeleitfähigen Material besteht, wie beispielsweise Aluminium. Andere Materialien, wie diese dem Fachmann bekannt sind, mit geeigneter Wärmeleitfähigkeit können ebenso verwendet werden. Die Einbettungsstruktur 203 enthält einen Kanal 204, der eine fluidische Leitung 205, wie beispielsweise eine Kapillare aus Quarzglas, aufnimmt. Die Wärmeabweisung von der heißen Seite 201 kann mit einem Wassermantel als Teil einer Flüssigkeitskühlschleife erreicht werden, wie dies in 1 gezeigt ist.
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Die fluidische Leitung 205 steht in unmittelbarer thermischer Berührung mit der Einbettungsstruktur 203. Diese unmittelbare thermische Berührung kann erreicht werden, indem der Kanal 204 hinsichtlich der fluidischen Leitung 205 dimensioniert wird, um somit zu bewirken, dass dieser in unmittelbarer thermischer Berührung mit der Einbettungsstruktur 203 steht. Alternativ kann die unmittelbare thermische Berührung erreicht werden, indem eine wärmeleitende Vergießungszusammensetzung verwendet wird. Die fluidische Leitung 205, die durch die Einbettungsstruktur 203 geführt ist, enthält ein Gefrier-Tau-Segment. Bei dem Gefrier-Tau-Segment handelt es sich um den Bereich der fluidischen Leitung 205, der gefroren oder aufgetaut wird, um das Ventil zu schließen oder zu öffnen. Der Außenbereich der Einbettungsstruktur 203, der an die fluidische Leitung 205 angrenzt, weist eine Vielzahl von Rillen 206 auf, die entlang der Länge des Gefrier-Tau-Segments verlaufen, die das Einbringen eines Widerstandsheizelements, wie beispielsweise eines mit Formvar-isoliertem Nichrom-Draht, ermöglichen.
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Beim Betrieb dieser nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform wird die kalte Seite 202 der Peltier-Wärmepumpe bei einer konstanten Temperatur gehalten, die bedeutend unterhalb des Gefrierpunktes der mobilen Phase liegt, die innerhalb der analytischen Vorrichtung verwendet wird. Das Betreiben der Peltier-Wärmepumpe bei dieser konstanten Temperatur verhindert wiederkehrende thermische Spannungen, die auftreten können, wenn es erforderlich ist, eine Vorrichtung hoch- und runter zu zyklieren, um ein Heizen und Kühlen zu erreichen. Darüber hinaus verbessert das Betreiben bei einer konstanten Temperatur die Antwortzeit des Ventils, da die Kühlrate der Peltier-Wärmepumpe die Leistung des Ventilbetätigungszyklus beschränkt oder beeinflusst.
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In dieser nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform wird Wärme um einen lokalisierten Bereich um das Gefrier-Tau-Segment durch die Widerstandsheizelemente aufgebracht, um das Gefrier-Tau-Ventil zu ”öffnen”. Die aufgebrachte Wärme wirkt der konstanten Kühlung der kalten Seite 202 durch die Peltier-Wärmepumpe entgegen und bewirkt, dass die mobile Phase innerhalb der fluidischen Leitung 205 auftaut und fließt. Die aufgebrachte Wärme führt zu einem bedeutenden Temperaturunterschied entlang des mittleren Stegs der Einbettungsstruktur 203 und daher ist die Einbettungsstruktur 203 mit mehreren Leerräumen 207 innerhalb des mittleren Stegs ausgestaltet, um den Querschnitt zu kontrollieren, der für den Wärmefluss zur Verfügung steht.
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Wenn keine Wärme mehr auf die fluidische Leitung 205 aufgebracht wird, dann kühlt die umgebende thermisch wirksame Masse des Kanalbereichs aufgrund des Wärmeflusses durch den mittleren Steg zu dem Boden der Einbettungsstruktur 203 rasch ab, die in thermischer Berührung mit der kalten Seite 202 der Peltier-Wärmepumpe steht. Die thermisch wirksame Masse der Einbettungsstruktur 203 ist klein genug, um die Betätigungsgeschwindigkeit des Gefrier-Tau-Ventils hoch zu halten. Obgleich der thermische Widerstand durch den mittleren Steg hinreichend niedrig sein muss, um ein rasches Abkühlen des Kanalbereichs zu ermöglichen, sollte dieser nicht erlauben, dass eine große Wärmebelastung durch die Widerstandsheizung der Einbettungsstruktur 203 auf die Peltier-Wärmepumpe aufgebracht wird.
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In den 3A und 3B ist ein alternativer Ansatz zum Auftauen der Inhalte einer fluidischen Leitung 305 dargestellt. In dieser nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform ist ein Widerstandsheizdraht 306 um die fluidische Leitung 305 gewickelt. Der Widerstandsheizdraht 306 ist wenigstens einmal um die fluidische Leitung 305 gewickelt. Alternativ kann die Funktion des Widerstandsheizdrahtes 306 durch eine elektrisch heizbare Widerstandsfolie durchgeführt werden, die auf der Fluidleitung 305 angeordnet ist oder an diese geklebt ist. Die umwickelte fluidische Leitung 305 wird sodann in unmittelbare thermische Berührung innerhalb einer Einbettungsstruktur 303 angeordnet. Diese unmittelbare thermische Berührung kann erreicht werden, indem ein Kanal 307 innerhalb der Einbettungsstruktur 303 präzise ausgestaltet wird oder indem die umwickelte fluidische Leitung 305 innerhalb des Kanals 307 unter Verwendung einer wärmeleitfähigen Vergießungszusammensetzung vergossen wird. Die Einbettungsstruktur 303 ruht auf einer kalten Seite 308 einer Peltier-Pumpe 309. Es ist vorstellbar, dass die Peltier-Pumpe 309 mehrere Stufen (nicht gezeigt) umfassen kann.
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In dieser nicht zur Erfindung gehörenden Ausführungsform wird Wärme auf die fluidische Leitung 305 aufgebracht, indem ein elektrischer Strom durch den Widerstandsheizdraht 306 geführt wird, um das Gefrier-Tau-Ventil zu ”öffnen”. Die aufgebrachte Wärme wirkt dem konstanten Kühlen der kalten Seite 308 durch die Peltier-Wärmepumpe 309 entgegen und bewirkt, dass die mobile Phase innerhalb der fluidischen Leitung 305 taut und fließt. Die aufgebrachte Wärme führt zu einem bedeutenden Temperaturunterschied entlang des mittleren Stegs der Einbettungsstruktur 303, und daher ist die Einbettungsstruktur 303 innerhalb des mittleren Stegs mit mehreren Leerräumen 310 ausgestaltet, um den Querschnitt zu kontrollieren, der für den Wärmefluss zur Verfügung steht.
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Wenn keine Wärme mehr auf die fluidische Leitung 305 aufgebracht wird, dann kühlt die umgebende thermisch wirksame Masse des Kanalbereichs aufgrund des Wärmeflusses durch den mittleren Steg zu dem Boden der Einbettungsstruktur 303 rasch ab, die in thermischer Berührung mit der kalten Seite 308 der Peltier-Wärmepumpe 309 steht. Die thermisch wirksame Masse des Kanalbereichs 307 der Einbettungsstruktur 303 ist klein, um die Betätigungsgeschwindigkeit des Gefrier-Tau-Ventils hochzuhalten. Obgleich der thermische Widerstand durch den mittleren Steg hinreichend niedrig sein muss, um ein rasches Abkühlen des Kanalbereichs zu erreichen, sollte dieser nicht erlauben, dass eine große Wärmebelastung durch den Widerstandsheizdraht 306 auf die Peltier-Wärmepumpe 309 aufgebracht wird.
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Die auf dem Peltier-Effekt basierenden Gefrier-Tau-Ventile gemäß der Erfindung können in einer Vielzahl von unterschiedlichen Vorrichtungen auf Mikro- oder Nanoskalen eingebaut werden, um eine Ventilierung der mobilen Phase in irgendeiner dieser Vorrichtungen zu erreichen. Insbesondere ist das auf dem Peltier-Effekt basierende Gefrier-Tau-Ventil in einem Probenanreicherungssubsystem auf mikrofluidischen Skalen nützlich.
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In
4 ist schematisch ein nicht zur Erfindung gehörendes Probenanreicherungssubsystem zur Verwendung mit einem Caisson- bzw. Senkkasten-Flüssigkeitschromatographietrennsystem (Liquid Chromatography, LC) gezeigt. Das Caisson- bzw. Senkkasten-LC-Trennsystem ist Gegenstand der
US-PS Nr. 6,610,201 (Dourdeville). Die auf dem Peltier-Effekt basierenden Gefrier-Tau-Ventile erlauben das Einbringen einer Probe auf eine Anreicherungssäule bei verhältnismäßig niedrigem Druck und erlauben anschließend die Elution dieser Probe bei sehr hohem Druck, während der Probeninjektor und die Probenanreicherungspumpe diesem hohen Elutionsdruck nicht ausgesetzt werden.
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Das Probenanreicherungssubsystem ist zwischen einer Caisson-Pumpe 409 und einer analytischen Säule 412 verbunden. Das Probenanreicherungssubsystem weist mehrere Gefrier-Tau-Ventile innerhalb eines ersten Unterbereichs 401 und eines zweiten Unterbereichs 402 auf. Der erste Unterbereich 401 enthält ein erstes Paar von Gefrier-Tau-Ventilen, das ein erstes Gefrier-Tau-Ventil 403 und ein zweites Gefrier-Tau-Ventil 404 umfasst. Der zweite Unterbereich 402 enthält ein zweites Paar von Gefrier-Tau-Ventilen, das ein drittes Gefrier-Tau-Ventil 405 und ein viertes Gefrier-Tau-Ventil 406 umfasst. Ventilpaare innerhalb jedes Unterbereichs 401, 402 werden derart gesteuert, dass sie im Wesentlichen gleichzeitig gefrieren und auftauen. Die zwei Unterbereiche 401, 402 sind dazu geeignet, unabhängig betätigt zu werden. Die Gefrier-Tau-Ventile innerhalb der Unterbereiche 401 und 402 können unabhängige Peltier-Kaskaden verwenden oder können sich das Gefrieren von einer einzelnen kalten Oberfläche teilen. Die Anreicherungssäule 407 ruht zwischen dem ersten Unterbereich 401 und dem zweiten Unterbereich 402. Die Anreicherungssäule 407 ist entfernt von den kalten Oberflächen der zwei Unterbereiche 401, 402 angeordnet, sodass deren Inhalte nicht einem Gefrieren unterworfen sind, was zu einer Ausfällung von Probe oder anderen unerwünschten Effekten führen könnte.
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Wenn der erste Unterbereich 401 gefroren wird, was dazu führt, dass das erste Ventil 403 und das zweite Ventil 404 geschlossen werden, und der zweite Unterbereich 402 aufgetaut wird, was dazu führt, dass das dritte Ventil 405 und das vierte Ventil 406 geöffnet werden, dann steht die Anreicherungssäule 407 in fluider Kommunikation mit dem Probeninjektor 413 und dem Abfallpfad 415. In diesem Zustand kann eine injizierte Probe mittels der Flüssigkeitsförderung der Anreicherungspumpe 414 auf die Anreicherungssäule 407 gepumpt werden. Die Anreicherungsflussförderung wird beibehalten, bis das gesamte Probenvolumen durch die Anreicherungssäule 407 gefördert worden ist und bis irgendwelche notwendigen zusätzlichen Spülungen oder Probenwaschungen durchgeführt worden sind.
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In dem alternativen Zustand wird der zweite Unterbereich 402 gefroren, was dazu führt, dass das dritte Ventil 405 und das vierte Ventil 406 geschlossen werden, und der erste Unterbereich 401 wird aufgetaut, was dazu führt, dass das erste Ventil 403 und das zweite Ventil 404 geöffnet werden. In diesem Zustand sind der Probeninjektor 413, die Anreicherungspumpe 414 und der Abfallpfad 415 von dem chromatographischen Elutionspfad getrennt. Diese Isolierung ermöglicht es der Caisson-Pumpe 409, die Elution von Probe von der Anreicherungssäule 407 und anschließend von der analytischen Säule 412 bei Drücken zu erreichen, die weit oberhalb der Druckfähigkeiten des Probeninjektors 413 und der Anreicherungssäule 414 liegen. Die Druckisolierung, die durch Gefrier-Tau-Ventile erhalten wird, vereinfacht bedeutend die Ausgestaltung des Gesamtsystems, indem die Anzahl von Komponenten limitiert wird, die dem analytischen Chromatographiedruck ausgesetzt sind. Ferner wird die Druckisolierung erhalten, ohne das Einbringen von unsauber ausgearbeiteten Volumina oder zusätzlichen Abdichtungsmaterialien in den benetzten Fluidpfad.
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Obgleich das Gefrier-Tau-Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung in einem analytischen System, wie beispielsweise den Systemen, die in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (High Performance Liquid Chromatography, HPLC), Kapillarflüssigkeitschromatographie (Capillary Liquid Chromatography, Capillary LC) und der Kapillarelektrophorese (Capillary Electrophoresis, CE) verwendet werden kann, liegt es innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, ein Gefrier-Tau-Ventil mit der selben grundlegenden Ausgestaltung, wie sie hier beschrieben worden ist, innerhalb irgendeiner Konfiguration zu verwenden, bei der Gefrier-Tau-Ventile vorteilhaft sind.
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Ebenso sollte erkannt werden, dass das Gefrier-Tau-Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung mit irgendeiner Vorrichtung auf Mikro-, Nano- oder Mesoskalen verwendet werden kann, bei der die Verwendung von Gefrier-Tau-Ventilen vorteilhaft ist.
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Zahlreiche andere Veränderungen, Weglassungen und Hinzufügungen in der Form und im Detail der vorliegenden Erfindung können daran vorgenommen werden, ohne vom Geist und Umfang der Erfindung abzuweichen. Daher sollte die vorstehende Beschreibung nicht als limitierend sondern vielmehr als ein Beispiel für die zahlreichen Ausführungsformen verstanden werden.
