DE3246067C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Hochdruck-Dosierpumpensystem gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

In der Flüssigkeitschromatographie besteht ein Bedarf an Lösungs­ mittelpumpen, welche Strömungsmittel in genau abgemessenen Mengen unabhängig von dem Ausgangsdruck fördern können. Insbesondere Flüssigkeitschromatographen mit Gradientenelution erfordern eine hohe Genauigkeit bei einer extrem niedrigen Durchflußgeschwindig­ keit von beispielsweise 1 µl/min.

Bei den herkömmlichen Pumpensystemen dieser Art bewirken die Kom­ pressibilität des Strömungsmittels und die mechanische Nachgiebig­ keit der Pumpe einen ersten Abfall der Durchflußgeschwindigkeit bei einer Zunahme des Ausgangsdrucks. Aus US-PS 40 03 679 ist ein aus zwei Pumpen bestehendes System bekannt, welches die Förder­ menge dadurch besser konstant hält, daß eine Niederdruck-Dosier­ pumpe verwendet wird, welche gesteuerte Beträge des Lösungsmit­ tels in eine Hochdruck-Folgepumpe einspritzt und welche synchro­ nisiert ist mit einer nachgeschalteten Pumpe um sicherzustellen, daß die Dosierpumpe ihre abgemessene Dosis in einem Niederdruck­ abschnitt in der Periode der Hochdruck-Pumpe fördert. Da die Dosierpumpe stets gegen Niederdruck arbeitet, kann deren Förder­ geschwindigkeit problemlos konstant gehalten werden. Die Dosier­ pumpe und die Hochdruck-Pumpe sind mechanisch gekoppelt und ar­ beiten somit periodisch mit der gleichen konstanten Geschwindig­ keit. Die Durchflußgeschwindigkeit wird gesteuert durch mecha­ nische Einstellung der Fördermenge der Dosierpumpe. Die mecha­ nische Nachgiebigkeit und diejenige des Strömungsmittels in der Dosierpumpe ergeben jedoch einen Fehler bei jedem Zyklus der Pumpe. Dieser Fehler erhöht sich bei zunehmender Frequenz der Dosierpumpenzyklen. Wenn die Durchflußgeschwindigkeit und damit die Fördermenge der Dosierpumpe vermindert werden, macht dieser inhärente Fehler einen zunehmend größeren Prozentsatz des Volumens des gepumpten Strömungsmittels aus. Jeder derartige Fehler wird in jeder Periode des Pumpenpaares reproduziert und beeinträchtigt die Durchflußgeschwindigkeit insbesondere bei niedrigen Werten. Somit ist der Bereich der Durchflußgeschwin­ digkeiten, bei denen eine gegebene Dosierpumpe arbeiten kann, begrenzt durch die Begrenzung der Genauigkeit. Auch treten Selbst­ regulierungsschwierigkeiten bei niedrigeren Durchflußgeschwindig­ keiten in Pumpen auf, welche die Durchflußgeschwindigkeit über das Verdrängungsvolumen einstellen, da größere Verdrängerpumpen in der Regel eine bessere Selbstregulierung haben als kleinere.

Gegenüber dem Stand der Technik nach US-PS 40 03 679 löst die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung die Aufgabe, ein Pumpen­ system der genannten Gattung derart zu verbessern, daß die Durchflußgeschwindigkeit des geförderten Strömungsmittels besser konstant gehalten wird.

Bevorzugte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen ge­ kennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird die Durchflußkonstanz verbessert, indem eine von einem Stellmotor angetriebene Dosierpumpe vom Einspritztyp verwendet wird, die eine Dosis in eine nachgeschaltete Membran­ pumpe fördert. Das Zylindervolumen der Dosierpumpe ist um ein Vielfaches größer als die Kapazität der nachgeschalteten Hoch­ druckpumpe, so daß die nachgeschaltete Pumpe viele Perioden bei jeder Periode der Dosierpumpe durchläuft. Der Fehler in der Dosierpumpe ist sehr niedrig, wenn er als Prozentsatz des Volu­ mens des in jeder Periode der Dosierpumpe gepumpten Lösungs­ mittels ausgedrückt wird. Da die Dosierpumpe durch einen Stell­ motor mit einer wesentlich geringeren Frequenz als die nachge­ schaltete Pumpe angetrieben wird, wird der kleine Fehler der Dosierpumpe über viele Perioden der nachgeschalteten Pumpe ver­ teilt. Somit ist die Genauigkeit der Durchflußgeschwindigkeit im wesentlichen unabhängig vom Volumen des gepumpten Strömungs­ mittels. Daher ist dieses System auch in der Lage, sehr kleine Durchflußgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 1 µl/min aufzulösen. Der Servomotor kann synchronisiert werden, um die Dosierpumpe nur während des Niederdrucks-Eingangsteiles der Periode der nachgeschalteten Pumpe anzutreiben. Andererseits kann ein Ausdehnungsgefäß zwischen die Dosierpumpe und die nach­ geschaltete Pumpe eingesetzt werden, so daß die Dosierpumpe un­ abhängig von der nachgeschalteten Pumpe arbeitet. Wegen des Auf­ baus dieses Dosierpumpe /Folgepumpe -Paares wird eine hohe Ge­ naugikeit in einem relativ breiten Bereich von Durchflußgeschwin­ digkeiten erreicht. Auch wird das Selbstregulierungsvermögen verbessert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert; es zeigt

Fig. 1 ein Pumpensystem gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 verschiedene Füllprofile für das System gemäß Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 treibt ein Servomotor 10 ein Paar Dosierpumpen 12 und 14 vom Einspritztyp. Ein Kolben 30 der Dosierpumpe 12 wird bezüglich eines Zylinders 32 angehoben und abgesenkt durch den Eingriff einer Leitspindel 34 mit dem Innnengewinde eines Kolben­ trägers 36. In ähnlicher Weise wird ein Kolben 38 in der Pumpe 14 innerhalb eines Zylinders 40 angehoben und abgesenkt durch das Zusammenwirken einer Leitspindel 42 mit dem Innengewinde eines Kolbenträgers 44. Die Pumpen 12 und 14 bewegen sich stets in gleicher Weise in entgegengesetzten Richtungen, d. h. im Gegentakt, wegen eines Zahnrades 18, welchesmit einer mit Gewinde versehenen Achse 34 der Pumpe 12 mit einem Zahnrad 20 im Eingriff steht, welches an einer nit Gewinde versehenen Welle 42 der Pumpe 14 befestigt ist, und weil die Zahnräder 18 und 20 und die Gewinde­ paare 34 - 36 und 42 - 44 aufeinander abgestimmt sind. Somit dreht der mit einem Zahnrad 16 verbundene Servomotor 10 die Zahnräder 18 und 20 in gleicher Weise in entgegengesetzten Richtungen. Da­ durch werden wiederum die Kolben 30 und 38 um gleiche Abstände in entgegengesetzten Richtungen bewegt.

Das Strömungsmuster der Dosierpumpen 12 und 14 wird durch eine Drehung um 90° eines Vierwege-Drehventils 22 umgekehrt, welches durch den Servomotor 24 angetrieben wird, wobei diese Bewegung synchronisiert ist mit der Richtungsumkehr des Servomotors 10. Diese Folge von Richtungsänderungen kann gesteuert werden durch einen Mikroprozessor 26, um sicherzustellen, daß eine der Dosierpumpen 12 oder 14 pumpt, während die andere aus einem Lösungsmittelreservoir 28 nachgefüllt wird.

Zu jedem Zeitpunkt liefert die gerade pumpende Dosierpumpe, beispielsweise die Pumpe 14 in Fig. 1, ihre abgemessene Dosis durch ein Kugelventil 46 in eine Membranpumpenkammer 48 einer Hochdruck- Pumpe 50. Ein Pumpenmotor 52 hebt einen Kolben 54 und saugt Öl aus einem Reservoir 56 durch ein Rückschlagventil 58 in einen Zylinder 60. Die Kammer 48 ist von dem Zylinder 60 durch eine flexible Membran 49 derart getrennt, daß das Lösungsmittel von der Dosierpumpe 12 oder 14 sich nicht mit dem Öl von der Pumpe 50 vermischen kann. Die flexible Membran 49 überträgt den Druck zwischen dem Öl in dem Zylinder 60 und irgendeinem Lösungsmittel in der Kammer 48. Wenn der Kolben 54 durch den Motor 52 abwärts bewegt wird, schließt das Rückschlagventil 58. Ein Rückschlagventil öffnet, wenn der Druck in dem Zylinder 60 den Druck der Last überschreitet. Ein federbelastetes Kugelventil 64, welches als Gegendruckregler dient, arbeitet zusammen mit einem Ausdehnungsgefäß 66 und einem Rückschlagventil 68 als hydraulischer Hochdruck-Überlastschutz. Das Kugelventil 64 wird derart eingestellt, daß es bei Überschreiten des maximalen Lastdruckes öffnet. Der Kolben 54 bewegt sich weiter nach unten, und der Öldruck baut sich im Zylinder 60 auf. Der Druck wird durch die flexible Membran 49 in das Lösungsmittel in der Kammer 48 übertragen. Falls das Kugelventil 46 noch nicht geschlossen ist, schließt es unter dem erhöhten Druck in der Kammer 48. Wenn der Druck in der Kammer 48 den Last­ druck erreicht, öffnet das Rückschlagventil 62 und gibt das Lösungsmittel beim Lastdruck durch ein Rohr 70 ab. Nachdem das gesamte Lösungsmittel aus der Kammer 48 herausgedrückt worden ist, steigt der Öldruck im Zylinder 60 wieder und öffnet das Rückschlagventil 68 für den Rest des Abwärtshubes des Kolbens 54. Auf diese Weise liefert die Pumpe 50 das gleiche Strömungsmittelvolumen (Lösungsmittel und Öl) in jeder Periode. Eine überschüssige Kapazität der Pumpe 50 über den Betrag des von der Dosierpumpe 12 oder 14 an die Kammer 48 gelieferten Lösungsmittels wird ausgenutzt, indem Öl durch das Kugelventil 64 in ein Ausdehnungsgefäß 66 gepumpt wird, welches bei einem Druck über dem maximalen Lastdruck gehalten wird, indem das federbelastete Kugelventil 64 entsprechend eingestellt wird. Wenn der Druck im Zylinder 60 abnimmt, wird das Rückschlagventil 68 durch den in dem Ausdehnungsgefäß 66 herrschenden Druck geschlossen. Das Kugelventil 64 bleibt jedoch offen, solange dessen eingestellter Öffnungsdruck unter dem Druck im Ausdehnungsgefäß 66 liegt. Auf diese Weise kann der hydraulische Hochdrucküberlastschutz allmählich jeden überschüssigen Druck abbauen.

Der Druck des Kugelventils 46 ist derart eingestellt, daß sich dieses nicht allein aufgrund eines Soges infolge des Aufwärtshubs des Kolbens 54 öffnet. Dadurch wird sichergestellt, daß nur unter Druck von der Dosierpumpe 12 oder 14 gefördertes Lösungsmittel in die Kammer 48 eintritt.

Im Betrieb dreht der Motor 52 die Pumpe 50 mit einer kontinuierlichen Drehzahl, während der Servomotor 10 schrittweise das Volumen des Zylinders 32 oder 40 der Dosierpumpe in Subvolumina unterteilt und für jede Pumpenperiode ein solches Subvolumen abgibt. Auf diese Weise arbeitet die Dosierpumpe viel langsamer als die nachgeschaltete Pumpe. Die Durchflußgeschwindigkeit wird gesteuert durch Regulierung der Größe der Subvolumina. Bei einem Dosierpumpen/Hochdruckpumpen-Paar gemäß der bevorzugten Ausführungsform kann der Motor 52 eine konstante Drehzahl haben und die Hochdruckpumpe 50 durch 600 vollständige Pumpenperioden pro Minute drehen, und die Zylinder 32 und 40 können dabei insgesamt Volumina von 0,2 ml aufweisen und acht Umdrehungen (vier in der einen Richtung und vier in Gegenrichtung) mit 2880° der Gewinde 34 und 42 ausführen, um ein Volumen mit 0,2 ml zu liefern. Dann muß bei einer ersten Strömungsgeschwindigkeit von 12 ml/min das Dosierpumpenpaar 12 und 14 ein Fünftel von 1 ml/s fördern. Um dieses zu erreichen, muß der Servomotor 10 die Zahnräder 18 und 20 durch 600 gleiche inkrementale Drehungen von 4,8°/min drehen. Im Gegensatz dazu erfordert eine zweite Strömungsmittelgeschwin­ digkeit von 1 µl/min (oder einer Periode der Dosierpumpe je 200 min) 600 schrittweise Drehungen von 0,0004°/min der Zahnräder 18 und 20. In der Praxis wird die Durchflußgeschwindigkeit von 12 ml/min unterteilt durch das kombinierte Volumen von 0,2 ml der Zylinder 32 und 40 in zehn Subvolumina von durchschnittlich 20 µl. Bei einer Durchflußgeschwindigkeit von 1 µl/min wird jedes Volumen von 0,2 ml unterteilt in 120 000 Subvolumina von durch­ schnittlich 0,001667 µl. Jeder Fehler bezüglich der Größe eines speziellen Untervolumens wird durch die Integration vieler Untervolumina über der Zeit kompensiert.

Der Mikroprozessor 56 kann programmiert werden, um den Servo­ motor 10 mit dem Synchronmotor 52 derart zu synchronisieren, daß die Lösungsmittelpumpe 12 oder 14 nur Lösungsmittel durch das Kugelventil 46 während des Teils der Periode der Pumpe 50 fördert, wenn der Kolben 54 sich nach oben bewegt. Dadurch wird sicherge­ stellt, daß die Dosierpumpe 12 oder 14 stets nur einen minimalen Druckabfall hat. Umgekehrt würde ein Ausdehnungsgefäß 72 es er­ möglichen, daß der Servomotor 10 unabhängig von dem Synchronmotor 52 arbeitet, indem Lösungsmittel während des Hochdruckteils der Pumpenperiode gespeichert wird. Ein anderes Verfahren zum Koor­ dinieren des Betriebs der Pumpe 50 mit der von der Dosierpumpe 12 oder 14 gelieferten Lösungsmittelmenge besteht darin, ein "intelligentes" Ausdehnungsgefäß 72 mit einer Pumpe 50 mit ein­ stellbarer Geschwindigkeit und einstellbarem Verdrängungs­ volumen zu kombinieren. Auf diese Weise würde die Pumpe 50 das Strömungsmittelvolumen ändern, welches in jeder Periode ent­ sprechend dem von der Dosierpumpe 12 oder 14 gelieferten Lösungs­ mittel gepumpt wird, welches dem Mikroprozessor 26 durch ein derartiges "intelligentes" Ausdehnungsgefäß 72 mitgeteilt wird. Außerdem könnte bei Flüssigkeitschromatographiesystemen mit Gradientenelution das Ausgangssignal von mehreren Dosierpumpen­ paaren gemittelt und einer einzigen Folgepumpe zugeführt werden.

Fig. 2 zeigt eine Kurve 74, welche die sinusförmige Bewegung des Kolbens 54 während einer Betriebsperiode der Pumpe 52 dar­ stellt. Drei Kurven 76a, 76b und 76c zeigen verschiedene mög­ liche Füllprofile zum Füllen der Pumpe 52 durch Dosierpumpen 12 und 14. Die Kurven 78a, 78b und 78c zeigen die entsprechenden Ab­ gabeprofile für die Pumpe 50 für jedes der Füllprofile 76a, 76b und 76c. Jede überschüssige Kapazität der Pumpe 50 über der an die Nachfolgepumpe gelieferten Lösungsmittelmenge wird ausge­ nutzt, indem Öl durch die Pumpe 50 gepumpt wird. In Fig. 2 wird dieses Volumen durch den Nachfüllbereich 80 und den Nach­ füllbereich 81 dargestellt, die beide den Lösungsmittelprofilen 76c und 78c entsprechen.

Claims (4)

1. Hochdruck-Dosierpumpensystem, insbesondere für Lösungsmittel eines Flüssigkeitschromatographen mit Gradientenelution, mit einer Niederdruck-Dosierpumpe und einer an diese angeschlossenen Hochdruck-Pumpe, wobei die Dosierpumpe (12, 14) Strömungsmitteldosen mit vorbestimmten Volumina abmißt, diese vorbestimmten Volumina in abgemessene Dosen eines gewünschten Subvolumens abmißt und die abgemessenen Subvolumina-Dosen gegen einen vorbestimmten ersten Druck fördert, die Hochdruck-Pumpe (50) die abgemessenen Subvolumendosen aufnimmt und diese zu einer Last (70) mit einem höheren zweiten Druck fördert, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierpumpe (12, 14) und die Hochdruckpumpe (50) voneinander unabhängige Antriebe (10; 52) aufweisen, die Hochdruck-Pumpe eine Einrichtung zur Druckeinstellung (46 bis 62) enthält, die den ersten Druck und den zweiten Druck bereitstellt, und daß eine druckabhängige Einrichtung (46) zwischen die Hochdruck-Pumpe und die Dosierpumpe (12, 14) geschaltet ist, welche sicherstellt, daß die Hochdruckpumpe (50) von der Dosierpumpe ansaugt.

2. Hochdruck-Dosierpumpensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dosierpumpe (12, 14) eine Einstellvorrichtung (10, 18, 20, 34, 36, 42, 44) zum Regeln der abgemessenen Subvolumendosen aufweist.

3. Hochdruck-Dosierpumpensystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochdruck-Pumpe (50) einen Pumpenhohlraum (60) mit einer Membran (49) enthält, die diesen von einer Pumpenkammer (48) trennt, und daß die Einrichtung zur Druckeinstellung folgende Bestandteile enthält:
die druckabhängige Einrichtung (46) zum Einlassen der abgemessenen Subvolumendosen in die Pumpenkammer (48) bei dem ersten Druck,
eine Einrichtung (62) zur Abgabe der abgemessenen Subvolumendosen von der Pumpenkammer (48) an ein Ausgangsrohr (70) bei dem zweiten Druck,
ein Reservoir (56) mit einem Strömungsmittel zur Abgabe an den Pumpenhohlraum (60),
einen Kolben (54) zum Ansaugen des Strömungsmittels aus dem Reser­ voir in den Pumpenhohlraum (60) bei einem Druck unterhalb des ersten Drucks zum Heraustreiben des Strömungsmittels aus den Pumpenhohl­ raum bei einem größeren Druck als dem zweiten Druck zur Rückführung zum Reservoir (56).

4. Hochdruck-Dosierpumpensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dosierpumpe (12, 14) mehrere unabhängige Pumpeneinheiten zum Abmessen, Unterteilen und Abgeben einer entsprechenden Menge von Strömungsmittel zur Hochdruck- Pumpe (50) enthält.