DE69024775T2

DE69024775T2 - Ventil- und Membranvorrichtung

Info

Publication number: DE69024775T2
Application number: DE69024775T
Authority: DE
Inventors: Mark A Lapack; James C Tou
Original assignee: Dow Chemical Co
Current assignee: Dow Chemical Co
Priority date: 1989-12-22
Filing date: 1990-12-17
Publication date: 1996-08-14
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: ES2081336T3; EP0433936A2; JPH06205923A; US5019139A; DE69024775D1; EP0433936A3; EP0433936B1; CA2032946A1

Description

Membranzellen werden in der chemischen Analyse verwendet, um eine Probe, die auf einer Seite der Membran enthalten ist, von einem abgeteilten Raum, der auf der anderen Seite der Membran angeordnet ist, abzutrennen. Die Probe enthält eine interessierende Komponente. die durch, d.h. mitten durch, die Membran in den abgeteilten Raum permeiert. Die permeierte, interessierende Komponente in diesem abgeteilten Raum kann dann analysiert werden. Wenn die Probe eine andere Komponente enthält, die nicht durch die Membran permeiert und die anderenfalls mit der Analyse der interessierenden Komponente wechselwirken würde, dann ist die Verwendung einer Membranzelle bei der Analyse der interessierenden Komponente vorteilhaft.
In Membranzellen können plattenartige Membranen oder rohrartige Membranen verwendet werden. Eine Zelle mit plattenartiger Membran kann hergestellt werden, indem die Membran zwischen zwei Gehäuseteilen eingeklemmt wird, wobei jeder Teil einen Hohlraum hat, der an die Membran angrenzt. Die Hohlräume befinden sich in einer aneinandergrenzenden Anordnung, so daß sie der Membran zugekehrt sind. Eine Probe, die eine interessierende Komponente enthält, wird in einen der Hohlräume gegeben. Die interessierende Komponente permeiert durch die Membran in den anderen Hohlraum. Die Inhalte des anderen Hohlraums werden dann auf die permeierte, interessierende Komponente hin analysiert. Eine Zelle mit rohrartiger Membran kann hergestellt werden, indem die äußeren Endbereiche einer rohrförmigen Membran dicht mit den inneren Endbereichen eines Metallrohrs verbunden werden und dabei ein ringförmiger Spalt zwischen dem Zentralbereich der Innenseite des Metallrohrs und dem Zentralbereich der Außenseite der rohrförmigen Membran gelassen wird. Eine Probe, die eine interessierende Komponente enthält, kann in den ringförmigen Zwischenraum eingebracht werden. Die interessierende Komponente permeiert durch die Membran in den inneren Raum der Membran. Die Inhalte des Innenraums der Membran werden dann auf die permeierte, interessierende Komponente hin analysiert. Umgekehrt kann die Probe in den Innenraum der rohrförmigen Membran gebracht werden, und die Inhalte des ringförmigen Zwischenraums können dann analysiert werden.
Eine wichtige Anwendung von Membranen in der chemischen Analyse ist im Bereich der Massenspektrometrie. Die Membran einer Membranzelle wird verwendet, um eine Probe von dem Vakuumeinlaß eines Massenspektrometers abzutrennen. Eine interessierende Komponente der Probe, die sich auf einer Seite der Membran befindet, permeiert durch die Membran hindurch, geht in das teilweise Vakuum auf der anderen Seite der Membran als ein Gas oder Dampf über und strömt in das Massenspektrometer zur Analyse. Üblicherweise ist ein Ventil in der Vakuumleitung zwischen der Membranzelle und dem Massenspektrometer angeordnet, so daß der Durchlauf der interessierenden Komponente in das Massenspektrometer gestoppt werden kann, wenn es gewünscht wird. Das internationale Journal für Massenspektrometrie und Ionenphysik ("International Journal of Mass Spectrometry and Ion Physics"), Band 52, Nr. 2/3, September 1983, offenbart eine Membranvorrichtung, entsprechend des Oberbegriffs von Anspruch 1, wobei diese Vorrichtung angepaßt ist, um mit einem Massenspektrometer verbunden zu werden. Häufig werden mehrere Membranzellen durch solche Ventile mit einem Massenspektrometer verbunden, so daß jede der Reihe nach analysiert werden kann. Es wäre ein Vorteil für diese Technik, wenn das Ventil und die Membranzelle in einer Vorrichtung kombiniert werden könnten, um die Zahl der benötigten Apparatekomponenten zu verringern.
Die vorliegende Erfindung beruht auf einer Ventil- und Membranvorrichtung, die enthält: (a) eine semipermeable Membran mit einer ersten und zweiten Seite, (b) einen Ventilkörper, der einen Hohlraum darin definiert, wobei dieser Hohlraum durch die Membran in einen ersten Hohlraumteil, der an diese erste Seite dieser Membran angrenzt, und einen zweiten Hohlraumteil, der an diese zweite Seite dieser Membran angrenzt, aufgeteilt wird, dieser Ventilkörper erste, zweite und dritte Durchführungen aufweist, die sich darin hinein erstrecken, sich diese ersten und zweiten Durchführungen in diesen ersten Holraumteil öffnen und diese dritte Durchführung sich in diesen zweiten Hohlraumteil öffnet für den Durchfluß eines Fluids durch diese erste Durchführung in diesen ersten Hohlraumteil und dann durch diese zweite Durchführung und zur Permeation einer Fluidkomponente durch diese Membran in diesem zweiten Hohlraum und zum Fluß aus diesem Ventilkörper hinaus durch diese dritte Durchführung, und (c) eine Einrichtung, die innerhalb dieses Hohlraums angeordnet ist, um den Fluß dieser Fluidkomponente durch diese dritte Durchführung zu regeln.
Bei Verwendung in einem Massenspektrometriesystem wird die dritte Durchführung an den Vakuumeinlaß des Massenspektrometers angeschlossen. Eine Probe wird in die erste Durchführung in dem ersten Hohlraumteil gespült, wo sie mit der Membran in Berührung kommt, und dann strömt sie aus der zweiten Durchführung. Wenn die dritte Durchführung offen ist, fließt eine Komponente der Probe, welche durch die Membran in den zweiten Hohlraumteil permeiert ist, als ein Gas oder Dampf in den Vakuumeinlaß des Massenspektrometers.
Fig. 1 ist eine Querschnittsseitenansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung eine plattenartige Membran umfaßt.
Fig. 2 ist eine Querschnittsaufsicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung entlang der Schnittlinie 2-2 aus Fig. 1.
Fig. 3 ist eine Querschnitsseitenansicht einer Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei die Vorrichtung eine rohrförmige Membran umfaßt.
Fig. 4 ist eine Querschnittsaufsicht der in Fig. 3 gezeigten Vorrichtung entlang der Schnittlinie 4-4 aus Fig. 3.
Fig. 5 ist eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht einer Einrichtung zur dichten Verbindung einer rohrförmigen Membran mit dem Körper der Vorrichtung.
Fig. 6 ist eine vergrößerte Querschnittsseitenansicht einer anderen Einrichtung zur dichten Verbindung einer rohrförmigen Membran mit dem Körper der Vorrichtung. Sich nun auf die Figuren 1 und 2 beziehend, ist dort eine Ventil- und Membranvorrichtung 10 gezeigt, die ein Gehäuse 11 und einen Stöpsel 12 aufweist. Das Gehäuse 11 und der Stöpsel 12 sind, wie gezeigt, mit ineinandergreifenden Gewinden ausgestattet. Das Gehäuse 11 und der Stöpsel 12 bilden den Körper der Vorrichtung 10 und definieren darin einen Hohlraum 13. Das Gehäuse 11 und der Stöpsel 12 sind vorzugsweise aus Edelstahl hergestellt, können aber auch nahezu aus jedem anderen geeigneten Material wie einem anderen Metall, einem keramischen Material oder einem Polymer, hergestellt sein. Das Gehäuse 11 hat einen kreisförmigen Kanal 14, der maschinell in ein Bodenteil eingearbeitet wurde. Die Geometrie des Kanals ist jedoch nicht entscheidend, und er kann eine Spiralform, eine Zickzackform, eine rechteckige Form oder jede andere Form haben. Das Gehäuse 11 hat eine erste Durchführung 15 von der Außenseite des Gehäuses 11 zu einem Ende des Kanals 14 und eine zweite Durchführung 16 von der Außenseite des Gehäuses 11 zu dem anderen Ende des Kanals 14. Das Gehäuse 11 hat außerdem eine dritte Durchführung 17, die sich von der Außenseite des Gehäuses 11 zur Kammer 13 erstreckt. Eine Abdeckscheibe 17a und eine plattenförmige Membran 18 sind zwischen dem Stöpsel 12 und dem Gehäuse 11 eingelegt. Eine Reihe von Löchern 19 ist gegenüber dem Kanal 14 in die Abdeckscheibe 17a gebohrt. Ein O-Ring 20 dichtet die Abdeckscheibe 17a, das Gehäuse 11 und den Stöpsel 12 ab. Eine Seite der Membran 18 grenzt daher über die Löcher 19 in der Abdeckscheibe 17a an die Kammer 13 an, während die andere Seite der Membran 18 an den Kanal 14 angrenzt. Der Stöpsel 12 drückt gegen die Abdeckscheibe 17a, welche ihrerseits gegen die Membran 18 drückt, welche ihrerseits gegen die Bodenfläche der Kammer 13 nahe des Kanals 14 und bildet dadurch eine kontinuierliche Dichtung zwischen der Membran 18 und der Oberfläche der Kammer 13 nahe dem Kanal 14. Dies ist entscheidend, da nur eine Membranpermeationsverbindung zwischen dem Kanal 14 und der Kammer 13 gewünscht wird. Ein Teil des Rohrs 21 ist mit dem Gehäuse 11 verbunden, um die erste Durchführung 15 zu verlängern, und das Rohr 21 ist Teil des Ventilkörpers. Ein Teil des Rohrs 22 ist ebenfalls mit dem Gehäuse 11 verbunden, um die zweite Durchführung 16 zu verlängern, und das Rohr 22 ist ein Teil des Ventilkörpers. Ein Teil des Rohrs 23 ist ebenfalls mit dem Gehäuse 11 verbunden, um die dritte Durchführung 17 zu verlängern, und das Rohr 23 ist ein Teil des Ventilkörpers. Eine Spiralfeder 24 ist in einem zentralen Kanal des Stöpsels 12 angeordnet, um Druck auf einen Magnetkolben 25 auszuüben, der eine elastische Abdichtung 26 an einem seiner Enden gegenüber des Teils des Gehäuses 11 aufweist, wo die dritte Durchführung in die Kammer 13, die die dritte Durchführung 17 verschließt, mündet. Ein Endteil des Kolbens 25 und die Dichtung 26 erstrecken sich in die Kammer 13. Der Stöpsel 12 weist eine vierte Durchführung 28 von der Außenseite des Stöpsels 12 zu der Kammer 13 auf. Ein Teil des Rohrs 29 ist mit dem Stöpsel 12 verbunden, um die Durchführung 28 zu verlängern. Eine elastische Dichtung 26a ist auf der Oberseite des Kolbens 25 angeordnet. Eine Magnetspule 27 zieht, wenn sie mit Strom versorgt wird, den Kolben 25 und die Dichtung 26 nach oben, und dabei öffnet sich die dritte Durchführung 17, und die vierte Durchführung 28 verschließt sich. Obwohl die Vorrichtung 10 als ein Magnetventil dargestellt wird, sollte verstanden werden, daß dies nicht entscheidend ist und daß die meisten Ventilarten verwendet werden können, um kontrolliert zu schließen oder den Fluß durch die vierte und/oder dritte Durchführung zu regulieren, einschließlich einem manuell betätigten Ventil, einem pneumatisch betätigten Ventil oder sogar einem piezoelektrisch betriebenen Ventil.
Um die Vorrichtung 10 in einem massenspektrometrischen System zu verwenden, wird das Rohr 29 an eine Vakuumpumpe angeschlossen, und eine Probe, die eine Komponente, welche durch die Membran 18 permeiert, enthält, wird in das Rohr 21, durch den Kanal 14 und aus dem Rohr 22 fließen lassen, während der Vakuumeinlaß des Massenspektrometers mit dem Rohr 23 verbunden ist. Wenn die Magnetspule 27 mit Strom versorgt wird, kann die interessierende Komponente, die durch die Membran 18 in die Kammer 13 permeiert, durch die Durchführung 17 in das Massenspektrometer fließen. Der Anschluß einer Vakuumpumpe an das Rohr 29 ist bei dieser Anwendung bevorzugt, um eine Druckwelle in den Massenspektrometer hinein zu verhindern, wenn die Magnetspule 27 angeregt wird. Mehrere Ventile der vorliegenden Erfindung können an den Vakuumeinlaß eines Massenspektrometers angeschlossen werden, so daß jede Probe analysiert werden kann. wenn es gewünscht ist.
Bei einigen Anwendungen kann die durch die Magnetspule 27 erzeugte Wärme ein Problem darstellen, da die Permeation durch die Membran 18 von der Temperatur abhängig ist. Eine Lösung für dieses Problem, die man als wirksam befunden hat, ist es, die Magnetspule 27 mit einem Kühlmittel zu kühlen, das durch eine rohrförmige Spirale gepumpt wird, die unter der Magnetspule 27 angeordnet ist. Alternativ hierzu kann ein pneumatisch betätigtes Ventil verwendet werden.
Sich nun auf die Fig. 3 und 4 beziehend, ist in diesen eine Vorrichtung 30 gezeigt, die in vieler Hinsicht der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Vorrichtung 10 ähnelt und ein Gehäuse 31 und einen Stöpsel 32 umfaßt. Das Gehäuse 31 und der Stöpsel 32 sind, wie dargestellt, mit ineinandergreifenden Gewinden ausgestattet. Das Gehäuse 31 und der Stöpsel 32 bilden den Körper der Vorrichtung 30 und definieren darin einen Hohlraum 33. Das Gehäuse 31 hat eine erste Durchführung 35 von der Außenseite des Gehäuses 31 zu der Kammer 33. Das Gehäuse 31 hat auch eine zweite Durchführung 36 von der Außenseite des Gehäuses 31 zu der Kammer 33. Das Gehäuse 31 hat weiterhin eine dritte Durchführung 37 von der Außenseite des Gehäuses 31 zu der Kammer 33. Ein O-Ring 40 dichtet das Gehäuse 31 gegen den Stöpsel 32 ab. Eine rohrförmige Membran 38 ist mit einem Endteil in der ersten Durchführung 35 und mit dem anderen Endteil in der zweiten Durchführung 36 angeordnet. Die äußeren Endteile der Membran 38 sollten kontinuierlich mit den Innenflächen der Durchführungen 35 und 36 dicht verbunden sein, da eine Membranpermeationsverbindung nur zwischen dem Innenraum der Membran 38 und der Kammer 33 gewünscht wird. Zwei Alternativen für solch eine Abdichtung werden im Folgenden mit Bezug auf die Fig. 5 und 6 diskutiert. Der zentrale Teil der rohrförmigen Membran 38 ist auf der Bodenfläche der Kammer 33 mit einer bei Raumtemperatur vulkanisierenden Siliconkautschukdichtmasse 39 befestigt. Ein Teil des Rohrs 41 ist mit dem Gehäuse 31 verbunden, um die erste Durchführung 35 zu verlängern, und das Rohr 41 ist ein Teil des Ventilkörpers. Ein Teil des Rohrs 42 ist ebenfalls mit dem Gehäuse 31 verbunden, um die zweite Durchführung 36 zu verlängern, und das Rohr 42 ist ein Teil des Ventilkörpers. Ein Teil des Rohrs 43 ist ebenfalls mit dem Gehäuse 31 verbunden, um die dritte Durchführung 37 zu verlängern, und das Rohr 43 ist ein Teil des Ventilkörpers. Eine Spiralfeder 44 ist in einer zentralen Kammer des Stöpsels 32 angeordnet, um auf einen Magnetkolben Druck auszuüben, der eine elastische Dichtung 46 an einem seiner Enden gegenüber dem Teil des Gehäuses 31 aufweist, wo die dritte Durchführung in die Kammer 33 , die die dritte Durchführung 37 verschließt, mündet. Der Kolben und seine Dichtung 46 sind somit in dem Hohlraum 33 angeordnet. Eine Magnetspule 47 zieht, wenn sie mit Strom versorgt wird, den Kolben 45 und die Dichtung 46 nach oben und öffnet die dritte Durchführung 37. Obwohl die Vorrichtung 30 als ein Magnetventil dargestellt wird, muß verstanden werden, daß dies nicht entscheidend ist und daß die meisten Ventile verwendet werden können, um den Fluß in der dritten Durchführung zu regulieren, einschließlich eines manuell betätigten Ventils, eines pneumatisch betätigten Ventils oder sogar eines piezoelektrisch betriebenen Ventils.
Sich nun auf Fig. 6 beziehend, wird eine bei Raumtemperatur vulkanisierende Siliconkautschukdichtungsmasse 34 zur Abdichtung der rohrförmigen Membran 38 in der Durchführung 35 und dem Rohr 41 verwendet. In der Ausführungsform aus Fig. 5 ist das Rohr 41 so dimensioniert, daß es in die rohrförmige Membran 38 hineinpaßt und ein Abschnitt gebildet wird, wo die Membran 38 das Endteil des Rohrs 41 überlappt. Der Abschnitt, wo die Membran 38 das Rohr 41 überlappt, ist in einem Klemmring 50 angeordnet. Eine Mutter 51 drückt den Klemmring 50 zusammen, um den überlappenden Abschnitt der rohrförmigen Membran 38 gegen das Rohr 41 abzudichten. Die Ausführungsform aus Fig. 5 gewährleistet leichteren Austausch der Membran 38 in dem Ventil 30.
Es sollte verstanden werden, daß die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung bei vielen Anwendungen, über die oben genannten hinaus, verwendet werden kann. Sie kann z.B. am Einlaß eines Gaschromatographiesystems verwendet werden, um eine permeierte, interessierende Komponente in eine Gaschromatographiesäule oder in das Injektionsventil eines Gaschromatographiesystems einzuführen. Außerdem kann sie in eine Sonde, die direkt in die Vakuumkammer eines Massenspektrometers eingesetzt wird, eingefügt werden.
Die Membran der vorliegenden Erfindung muß eine selektiv permeable Membran sein und nicht eine impermeable Membran, wie ein blattförmiges Metalldiaphragma der Art, wie sie lange in Ventilen, wie Druckregulierungsventilen, verwendet wurde. Die Membran der vorliegenden Erfindung kann nichtporös oder porös sein, so lange sie selektiv permeabel für die interessierende Komponente ist, d.h., die Permeationsgeschwindigkeit der interessierenden Komponente durch die Membran sich von der Permeationsgeschwindigkeit der anderen Komponente durch die Membran unterscheidet.
Plattenartige und rohrförmige Membranen aus nichtporösem Siliconkautschuk sind bevorzugte Beispiele. Andere Beispiele von geeigneten Membranmaterialien umfassen poröse Polyethylenmembranen (wie blattartige oder rohrförmige Membranen der Marke Celgard von der Celanese Corporation aus den Vereinigten Staaten), Membranen, die aus Polytetrafluorethylen, Polycarbonat, anderen Kautschuken und ionenaustauschenden Polymeren (so wie Ionenaustauschermembranen der Marke Nafion von DuPont aus den Vereinigten Staaten) hergestellt sind. Viele andere Beispiele von geeigneten Membranen sind kommerziell erhältlich oder in Veröffentlichungen, wie Membranes in Separations (Membranen in Trennungen) von den Professoren Hwang und Kammermeyer, veröffentlicht von Krieger, 1984, beschrieben.

Claims

1. Eine Ventil- und Membranvorrichtung enthaltend

(a) eine semipermeable Membran mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite,

(b) einen Ventilkörper, der einen Hohlraum darin definiert, wobei dieser Hohlraum durch die Membran in einen ersten Hohlraumteil, der an diese erste Seite dieser Membran angrenzt, und einen zweiten Hohlraumteil, der an diese zweite Seite dieser Membran angrenzt, aufgeteilt wird, dieser Ventilkörper erste, zweite und dritte Durchführungen aufweist, die sich darinhinein erstrecken, wobei sich diese ersten und zweiten Durchführungen in diesen ersten Hohlraumteil öffnen und diese dritte Durchführung sich in diesen zweiten Hohlraumteil öffnet für den Durchfluß eines Fluids durch diese erste Durchführung in diesen ersten Hohlraumteil und dann durch diese zweite Durchführung und zur Permeation einer Fluidkomponente durch diese Membran in diesem zweiten Hohlraumteil und zum Fluß aus diesem Ventilkörper hinaus durch diese dritte Durchführung, und

(c) eine Einrichtung, die innerhalb dieses Hohlraums angeordnet ist, um den Fluß dieser Fluidkomponente durch diese dritte Durchführung zu regeln.

2. Die Ventil- und Membranvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung zum Regeln des Flusses der Fluidkomponente durch diese dritte Durchführung einen Solenoid betätigten Ventilkolben beinhaltet.

3. Die Ventil- und Membranvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Ventilkörper eine vierte Durchführung hierinhinein aufweist und eine Einrichtung zur Regelung des Flusses eines Fluids hierdurch, wobei diese vierte Durchführung sich in diesen zweiten Hohlraumteil öffnet.

4. Die Ventil- und Membranvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Einrichtung zur Regelung des Flusses eines Fluids hierindurch einen Solenoid betätigten Ventilkolben beinhaltet.

5. Die Ventil- und Membranvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Membran eine folienförmige Membran ist.

6. Die Ventil- und Membranvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese Membran eine röhrenförmige Membran ist.