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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-PS Nr. 6,159,744 und 5,795,788). 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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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 Lüclce 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 Zeit raums 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 wirlsame
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-PS 6,557,575 (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 alternativen 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 alternative 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 beispielhaften 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 beispielhaften 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 beispielhaften 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 beispielhaften 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 Fuznktion
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 Ka nals 307 unter Verwendung einer wärmeleitfähigen Vergießungszusammensetzung
vergossen wird. Die Einbettungsstruktur 303 ruht auf einer
kalten Seite 308 einer Peltier-Pumpe 309. Es ist
innerhalb des Umfangs der Erfindung vorstellbar, dass die Peltier-Pumpe 309 mehrere
Stufen (nicht gezeigt) umfassen kann.
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In
dieser beispielhaften 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 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
die beispielhaften Gefrier-Tau-Ventile gemäß der vorliegenden Erfindung
im Zusammenhang mit deren Verwendung 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, 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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Obgleich
die beispielhaften Gefrier-Tau-Ventile gemäß der vorliegenden Erfindung
im Zusammenhang mit deren Verwendung in einem mikrofluiden Probenanreicherungssubsystem
beschrieben worden sind, liegt es innerhalb des Umfangs der vorliegenden
Erfindung, ein Gefrier-Tau-Ventil mit der selben grundlegenden Ausgestaltung,
wie hier beschrieben, innerhalb von Konfigurationen zu verwenden,
die für
eine direkte Probeninjektion in ein analytisches System ohne Anreicherung
geeignet sind. Ebenso sollte erkannt werden, dass die Gefrier-Tau-Ventile
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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Obgleich
die Gefrier-Tau-Ventile gemäß der vorliegenden
Erfindung derart beschrieben worden sind, dass diese singuläre Gefrier-Tau-Segmente
auf einer kalten Seite aufweisen oder zu einer kalten Seite bewegt
werden, sollte erkannt werden, dass mehrere Gefrier-Tau-Segmente
innerhalb einer singulären
kalten Seite einer Peltier-Wärmepumpe
gruppiert werden können.
Ebenso kann das Auftauen von Gefrier-Tau-Segmenten gleichfalls in
mehreren Gruppierungen erreicht werden.
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Obgleich
eine beispielhafte Ausführungsform
des Gefrier-Tau-Ventils gemäß der vorliegenden Erfindung
derart beschrieben worden ist, dass bei dieser das Gefrier-Tau-Segment entweder
zu der heißen
oder zu der kalten Seite bewegt wird, sollte ferner erkannt werden,
dass das Gefrier-Tau-Segment stationär sein kann, wobei die heiße und die
kalte Seite zu seiner Position bewegt werden.
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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.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Gefrier-Tau-Ventil wird bereitgestellt, das eine Peltier-Wärmepumpe
verwendet, wobei der thermische Kurzschlusspfad zwischen einer gekühlten thermisch
wirksamen Masse (106) vermindert wird oder abwesend ist
und die Ventilübergangszeit minimiert
wird. Das Gefrier-Tau-Ventil umfasst eine Peltier-Wärmepumpe
(101), die auf einer Wärmeaustauschoberfläche angebracht
ist, die einen Kreuzlochkupferwassermantel (102) oder einen
Verteiler umfasst. Die Peltier-Wärmepumpe
wird betrieben, um eine gekühlte
thermisch wirksame Masse (106) bei einer im Wesentlichen
konstanten niedrigen Temperatur zu halten. Ein Widerstandsheizelement
(108) wird verwendet, um eine beheizte thermisch wirksame
Masse (107) zu erzeugen.