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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Zylinder-Kolben-Einheit für Hochdruckanwendungen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) werden üblicherweise Kolbenpumpen zur Förderung von Flüssigkeiten eingesetzt. Der Kolben kann dabei gebildet werden aus einem in sehr engen Toleranzen gefertigten, glatten Stab, beispielsweise aus Zirkoniumoxid oder Saphir. Er bewegt sich relativ zu einer feststehenden Dichtung, an welcher er möglichst reibungsarm entlanggleitet. Die Dichtung soll den Spalt schließen zwischen dem Pumpenkopf und dem darin oszillierenden Kolben. Dabei bestehen zwei funktionelle Dichtbereiche: Einerseits zwischen der ortsfesten Dichtung und dem bewegten Kolben, andererseits zwischen der ortsfesten Dichtung und dem ebenfalls ortsfesten Pumpenkopf. (Anmerkung: Da der Kolben hier identisch sein kann zu einer Kolbenstange, soll im Folgenden der Begriff „Kolben” als Synonym für Kolben oder Kolbenstange verwendet werden).
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Sehr ähnliche Verhältnisse bestehen auch in HPLC-Dosierspritzen, welche das zu analysierende Medium in einer genau definierten Menge bereitstellen. Wenn der Hubraum der Dosierspritze in den Förderweg der Hochdruckpumpe eingebunden wird, muss entsprechend auch der Hubraum der Spritze am Spritzenkolben abgedichtet werden, um die hohen Betriebsdrücke von oft mehr als 1500 Bar zu ermöglichen. Für Hochdruckpumpen oder Dosierspritzen in der HPLC-Technik gelten daher bezüglich der Abdichtung vergleichbare Anforderungen.
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Herkömmliche Hochdruckdichtungen bestehen üblicherweise aus thermoplastischem Material mit guten Gleiteigenschaften. Die Dichtungen sind dabei mit Dichtlippen so ausgestaltet, dass sich diese unter Ausnutzung des Mediendrucks radial nach innen gegen den Kolben bzw. radial nach außen gegen den Pumpenkopf pressen und dadurch abdichten. Da solche Dichtungen bei geringen Drücken oft unzureichend funktionieren, werden sie häufig vorgespannt durch meist metallische Federelemente, welche die Dichtlippen in radialer Richtung nach innen und außen drücken. Dadurch könnte auch bei niedrigen Drücken eine ausreichende Dichtwirkung erzielt werden.
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In der HPLC-Technik werden metallische Komponenten entlang des Förderwegs des zu analysierenden Mediums jedoch häufig vermieden, da sie mit den zu analysierenden Substanzen reagieren und das Ergebnis der Analyse verfälschen können. Auch nicht-metallische Vorspannelemente, beispielsweise O-Ringe, sind in der Regel nicht gegen alle im Medium zu erwartenden Substanzen chemisch inert. Sie können von diesen angegriffen und zerstört werden, womit die Dichtwirkung nicht mehr gegeben ist.
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Weiterhin sitzen metallische Federelemente häufig in einem Raum zwischen innerer und äußerer Dichtlippe, den sie nicht vollständig ausfüllen können und der daher als Totraum verbleibt. Unerwünschte Lufteinschlüsse oder nicht ausgespülte Medienreste in diesen Toträumen sind die Folge, was die Analysen verfälscht. Daher besteht in der HPLC-Technik ein Trend zur Verkleinerung des durchströmenden Volumens und zu metallfreien Pfaden für eine biokompatible Anwendung.
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Eine im Stand der Technik nicht ganz auszuschließende axiale Beweglichkeit der bekannten Dichtungen, gerade für Dosierspritzen, führt außerdem zu einer wesentlich schlechteren Reproduzierbarkeit bei den sehr genau einzustellenden Probenvolumina.
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Aus der
US 2004/0 256 811 A1 ist eine Dichtung für eine Hochdruckpumpe bekannt, bei der ein Dichtungsabschnitt um einen die Dichtung radial nach innen beaufschlagenden O-Ring geschlungen ist, um diesen vom Druckmedium zu separieren.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Zylinder-Kolben-Einheit für Hochdruckanwendungen mit einem Dichtsystem anzubieten, welches auch bei hohen Drücken die Dichtungsanforderungen erfüllt, zugleich chemisch inert und mit minimalem Totvolumen ausgebildet ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Zylinder-Kolben-Einheit nach Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, einen an dem Kolben anliegenden Dichtabschnitt auf seiner dem Kolben abgewandten Seite („Außenseite”) mit dem unter Hochdruck anstehenden Medium des Hubraumes zu beaufschlagen, um den Dichtabschnitt nach innen auf den Kolben zu drängen und dadurch eine besonders gute Dichtwirkung zu erzielen. Anders als im Stand der Technik wird das Medium jedoch nicht in eine Ausnehmung der Dichtung geleitet, welche in radialer Richtung von einer äußeren und einer inneren Dichtlippe begrenzt wird. Stattdessen grenzt der erfindungsgemäße Dichtabschnitt auf seiner Außenseite an einen ortsfesten Gehäuseabschnitt an, der nicht zur Dichtung gehört. Zwischen der Außenseite des Dichtabschnitts und dem Gehäuseabschnitt ist erfindungsgemäß ein Druckvolumen ausgebildet in Form eines schmalen Spaltes (Dichtungsspalt), der sich weitgehend rotationssymmetrisch um die Kolbenachse herum auf der Außenseite des Dichtabschnitts erstreckt.
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Zugleich besteht in radialer Richtung zwischen Kolben und Innenwand des Hubraumes ein mit dem Hubraum verbundener Ringspalt („Kolbenspalt”), durch den Medium zum Hubraum hin oder von ihm weg förderbar ist. Erfindungsgemäß ist der Dichtungsspalt mit dem Kolbenspalt fluidisch verbunden, so dass das im Hubraum anstehende Medium bis in den Dichtungsspalt gelangen kann und dort unter dem gleichen Druck wie im Hubraum steht. Daher kann das Medium den Dichtabschnitt von seiner Außenseite mit dem anstehenden Druck radial nach innen in Richtung auf den Kolben beaufschlagen und andrücken. Der Dichtungsspalt „hintergreift” damit den Dichtabschnitt und wird radial nach außen von einem Gehäuseabschnitt begrenzt bzw. abgestützt.
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Im Stand der Technik weisen die als Nutringe eingesetzten Dichtungen in ihrer Nut das störende Totvolumen auf. Die Dichtungen umfassen in radialer Richtung zwei Dichtungsabschnitte. Das erfindungsgemäße Dichtungssystem verzichtet dagegen auf einen vergleichbaren radialen äußeren Dichtungsabschnitt mit dazwischenliegendem Totraum. Vielmehr grenzt der an dem Kolben anliegende Dichtungsabschnitt auf seiner Außenseite unmittelbar an einen Gehäuseabschnitt (Wandung des Pumpenkopfes oder separat in den Pumpenkopf einzusetzendes Element ohne Dichtfunktion). Der Dichtungsspalt, welcher im Betrieb für eine ordnungsgemäße Funktion ein radialer Spalt geringster Abmessungen sein kann, genügt hier zum Aufbau des erforderlichen Anpressdrucks des Dichtabschnitts nach innen, ohne dass nennenswerte Toträume überhaupt vorhanden sind.
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Zugleich soll erfindungsgemäß sichergestellt sein, dass die Querschnittsfläche des Dichtungsspalts in etwa derjenigen des Kolbenspaltes entspricht. Da der Kolbenspalt und der Dichtungsspalt zur seriellen Durchströmung mit Medium vorgesehen sind, soll unter Berücksichtigung der Kontinuitätsgleichung einerseits und der angestrebten minimalen Toträume andererseits der jeweils zur Verfügung stehende Strömungsquerschnitt beider Spalte weitgehend gleich sein. So werden schlecht durchströmte Bereiche vermieden. Anders als im Stand der Technik vermeidet die Dichtung insbesondere Toträume durch innerhalb des Dichtungsquerschnittes angeordnete Vorspannelemente.
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Die erfindungsgemäße Zylinder-Kolben-Einheit umfasst ein Dichtelement mit einem Grundkörper und einem daran angrenzenden Dichtabschnitt, wobei der Dichtabschnitt vorgesehen ist zur Anlage am Kolben. Zweckmäßigerweise ist der Dichtabschnitt aus einem hochfesten Kunststoffteil mit guter Stütz- und Vorspannfunktion gebildet, beispielsweise aus PEEK. Ergänzend zur vorteilhaften Druckbeaufschlagung während des Betriebs kann der Dichtabschnitt bei der Montage bzw. beim Aufschieben auf den Kolben aufgeweitet und dadurch vorgespannt werden. Dazu kann der Dichtabschnitt konisch oder zylindrisch mit Untermaß gegenüber dem Kolben gefertigt sein, so dass er nach seiner Aufweitung radial nach innen drängt und sich bereits ohne zusätzliche Druckbeaufschlagung eng an den Kolben anlegt.
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Da zwischen Dichtabschnitt und Kolben zugleich möglichst gute Gleiteigenschaften herrschen müssen, sieht eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass der Dichtabschnitt auf einer dem Kolben zugewandten Innenseite ein reibungsarmes Gleitelement aufweist zur Anlage am Kolben. Als Material dafür kommt insbesondere PTFE (Polytetrafluorethylen) in Frage. Damit kann der an sich steife und hochfeste Dichtabschnitt aus PEEK im Kontaktbereich zum Kolben besonders gleitfähig ausgebildet sein und trotz hoher radialer Anpresskräfte eine gute Gleitbewegung des Kolbens relativ zum Dichtabschnitt erlauben.
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Die im Betrieb auftretenden sehr hohen Betriebsdrücke können zur plastischen Verformung des Gleitelements führen oder sogar ein Fließen bewirken, bei dem das Material des Gleitelements entlang des Dichtspalts am Kolben extrudiert. Um dies zu verhindern, sieht eine weitere Ausführungsform der Erfindung vor, dass der Dichtabschnitt das Gleitelement an dessen vorderem und/oder hinterem axialen Ende umgreift. Während das Gleitelement in radialer Richtung nach innen zum Kolben hin druckbeaufschlagt wird, verhindert die axiale Einfassung das ungewollte Ausweichen oder Fließen des Gleitelementmaterials in axialer Richtung. Es verbleibt stattdessen „eingebettet” in den aus hochfestem Kunststoff ausgebildeten Dichtabschnitt und kann in axialer Richtung nicht mehr ausweichen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Dichtabschnitt an seinem dem Hubraum abgewandten axialen Ende radial erweitert und geht so in den Grundkörper über. Dieser kann, den Dichtabschnitt tragend, auf geeignete Weise im Pumpenkopf fixiert werden.
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Der Grundkörper kann über geeignete Einspannmechanismen (Verschrauben, Verklemmen etc.) in einer definierten Lage relativ zum Kolben fixiert werden, bspw. durch Einpressen der Dichtung in einen im Gehäuse bzw. Pumpenkopf ausgebildeten Sitz. Während der erfindungsgemäße Dichtabschnitt die Funktion der dynamischen Dichtung übernimmt, dient der Grundkörper zur statischen Abdichtung gegen das Gehäuse bzw. den Pumpenkopf. Auch der Grundkörper kann aus hochfestem Kunststoff (PEEK) gefertigt sein und unter teilweiser plastischer Verformung in seinen Sitz gedrückt werden, um die gewünschte statische Dichtfunktion zu erfüllen.
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Wie bereits ausgeführt, sind Toträume bei der Probenförderung bestmöglich auszuschließen. Die Erfindung berücksichtigt dies dadurch, dass der Dichtungsspalt, über welchen der Dichtabschnitt radial nach innen mit Druck beaufschlagt wird, zugleich einen Abschnitt eines Förderweges umfasst, entlang welchem das Medium weiter zum Kolbenspalt und in den Hubraum hinein oder auf dem umgekehrten Weg aus diesem hinaus gelangt.
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Ein solcher Fall ist beispielweise für HPLC-Dosierspritzen relevant. Dabei wird mit Hilfe des Spritzenkolbens eine Probe aus einem Probengefäß angesaugt, entweder in den Hubraum der Spritze oder in ein damit gekoppeltes sonstiges Volumen. Um die Probe anschließend einer Chromatographiesäule zuzuführen, wird die Dosierspritze Teil der Probenschleife. Das bedeutet, dass das von der Dosierspritze gebildete Volumen von einem Fördermedium unter hohem Druck durchströmt wird, um die aufgesaugte Probe zu fördern. Der Spritzenkolben behält dabei in der Regel seine Position unverändert bei.
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Um das Fördermedium möglichst totvolumenfrei durch die Dosierspritze hindurch zu fördern, muss die Dosierspritze über einen rückwärtigen Anschluss verfügen, über den das Fördermedium in den Hubraum und von dort durch einen vorderen Anschluss oder auch in umgekehrte Richtung gefördert werden kann. Um ein möglichst geringes Totvolumen zu realisieren, mündet der rückwärtige Anschluss in den Dichtungsspalt auf der Außenseite des Dichtabschnitts, vorzugsweise an dem Hubraum abgewandten rückwärtigen Ende des Dichtungsspalts bzw. des Dichtabschnitts. Von dort kann das Fördermedium auf Grund der bestehenden Verbindung vom Dichtungsspalt über den Kolbenspalt bis in den Hubraum bzw. in entgegengesetzter Richtung gefördert werden. Der besondere Nutzen einer solchen Ausführungsform besteht darin, dass nicht nur durch Druckbeaufschlagung im Dichtungsspalt mittels Fördermedium die Dichtwirkung am Dichtabschnitt erzielt wird, sondern der Dichtungsspalt zugleich als Strömungsweg vorgesehen ist, der damit zwingend durchströmt wird und keinen Totraum darstellt.
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Der Dichtungsspalt hat vorzugsweise die Form eines ringförmigen Spaltes, der den Dichtabschnitt außenseitig konzentrisch zur x-Achse umgibt. An seiner dem Hubraum zugewandten axialen Unterseite ist der Dichtungsspalt bspw. über eine radiale Spalt-Verbindung mit dem Kolbenspalt und dadurch mit dem Hubraum verbunden, während die Oberseite des Dichtungsspaltes mit dem rückwärtigen Anschluss verbunden ist zur Abfuhr/Zufuhr des Fördermediums. Der Dichtungsspalt kann als sehr dünner Spalt ausgeführt sein, welcher den Dichtabschnitt auf dessen Außenseite umläuft und einen gerade ausreichenden Strömungsquerschnitt für das Fördermedium aufweist. Undurchströmte Toträume, wie sie bei vorgespannten Dichtungen im Stand der Technik vorkommen, werden so vermieden.
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Eine besondere Ausführungsform der Erfindung sieht weiterhin vor, dass der Dichtungsspalt in radialer Richtung durch einen spiralförmigen Kanal erweitert ist, welcher die X-Achse des Kolbens umläuft. Dadurch ergibt sich ein zu bevorzugendes gleichmäßiges Strömungsprofil für das Medium entlang des Dichtabschnitts. Auch können Lufteinschlüsse gezielt ausgetragen werden, wenn sich der Strömungsweg vom rückwärtigen Anschluss bis in den Hubraum oder zurück im Wesentlichen auf diesen Kanal beschränkt. Nicht durchspültes Totvolumen wird vorteilhaft reduziert.
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Zweckmäßigerweise ist das vordere Ende des spiralförmigen Kanals mit dem Kolbenspalt und dem Hubraum verbunden, während ein rückwärtiges Ende als Anschluss für das Fördermedium ausgebildet ist oder mit einem solchen in Verbindung steht. Dadurch kann das Fördermedium gezielt einem genau definierten und totvolumenfreien Förderweg folgen. Der Kanal kann ferner die Doppelfunktion bieten, einerseits als totvolumenfreier Förderweg zu dienen, andererseits den Dichtabschnitt umlaufend in radialer Richtung gleichmäßig mit Mediendruck zu beaufschlagen.
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Der spiralförmige Kanal kann teilweise oder vollständig in der Innenseite des Gehäuseabschnitts ausgebildet sein, welcher an die Außenseite des Dichtabschnitts angrenzt. Alternativ kann die spiralförmige Nut auch in die Außenseite des Dichtabschnitts eingebracht werden, während der Gehäuseabschnitt eine im Wesentlichen zylinderförmige Innenfläche aufweist, welche den Kanal radial nach außen begrenzt.
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Eine erfindungsgemäße Zylinder-Kolben-Einheit zur Aufnahme des vorbeschriebenen Dichtungssystems umfasst einen Pumpenkopf, in dem ein um eine Achse X ausgebildeter zylindrischer Hubraum mit einem darin verfahrbaren Kolben angeordnet ist, der identisch zu einer Kolbenstange ausgebildet sein kann. Erfindungsgemäß ist ein den Kolben umlaufender, vorzugsweise ringförmiger Kolbenspalt vorgesehen. Dieser ist in radialer Richtung zwischen der Wandung des Hubraumes und dem Kolben ausgebildet. Der Kolbenspalt hat senkrecht zur X-Achse eine Querschnittsfläche, durch welche in axialer Richtung die Förderung des Medium gestattet werden soll.
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In einer gegenüber der Zylinderwandung radial erweiterten Ausnehmung des Pumpenkopfes ist ein Sitz für eine Dichtung der vorbeschriebenen Art vorgesehen. Die Ausnehmung ist unter Berücksichtigung der geometrischen Abmessung der Dichtung so gewählt, dass die in die Ausnehmung eingesetzte Dichtung die Ausnehmung im Betrieb nahezu vollständig ausfüllt. Ein vorzugsweise radialer, schmaler Spalt, der das rückwärtige Ende des Kolbenspalts mit dem vorderen Ende des Dichtungsspalts verbindet, gestattet den Durchtritt des im Hubraum befindlichen und druckbeaufschlagten Mediums bis in den als Förderweg dienenden Dichtungsspalt auf der Außenseite des am Kolben anliegenden Dichtabschnitts, um dort den radial nach innen gerichteten Druck gegen den Dichtabschnitt zu erzeugen. Der Dichtungsspalt kann dabei durch eine spiralförmige Nut in radialer Richtung erweitert sein, die sich mit vorgebbarer Steigung um die Zylinderachse und damit längs des Dichtabschnitts auf dessen Außenseite emporschraubt, um einen definierten Strömungsweg für das Medium vorzugeben.
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Nachfolgend sollen einige Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figurenbeispielen näher erläutert werden. Dabei zeigen
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1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Dichtungssystems mit vergrößerter Detailansicht im unmontierten Zustand,
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2 die Vorrichtung gemäß 1 im montierten Zustand,
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3a, b eine Ausführungsform mit axialer Sicherung des Gleitelements,
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4a, b eine Ausführungsform mit vorgeformtem Gleitelement, und
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5 eine Ausführungsform mit doppelt axialer Sicherung des Gleitelements.
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1 zeigt ein Gehäuse als Pumpenkopf 14, in dessen zylindrischem Hubraum 40 ein zugleich als Kolbenstange dienender Kolben 11 hin und her bewegbar ist. Pumpenkopf 14 und Kolben 11 sind im Wesentlichen rotationssymmetrisch um eine Längsachse X ausgebildet. Radial zwischen Kolben 11 und der Innenwand des Hubraumes 40 ist ein schmaler ringförmiger Kolbenspalt freigehalten, der Medium enthalten und führen kann. Der Pumpenkopf 14 ist für Hochdruckanwendungen ausgebildet, wie sie insbesondere in der HPLC-Technik üblich sind.
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An seinem vorderen Ende 90 ist der Hubraum 40 mit einem vorderen Anschluss 80 verbunden, über den Medium aus dem Hubraum 40 heraus- oder hineingefördert werden kann. An seinem dem vorderen Ende abgewandten rückwärtigen Ende ist der Hubraum 40 gegenüber dem Kolben 11 bzw. dem Pumpenkopf 14 über ein Dichtungssystem 10 abgedichtet, wobei Einzelheiten hierzu aus der hervorgehobenen Detaildarstellung Z ersichtlich sind.
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In einer einen Sitz bildenden radialen Erweiterung 22, 31 am rückwärtigen Ende des Hubraums 40 ist eine Dichtungsvorrichtung 10 angeordnet, die im Wesentlichen besteht aus einem Grundkörper 20 und einem daran anschließenden Dichtabschnitt 24. Der Dichtabschnitt 24 hat in etwa die Gestalt eines um die Achse X ausgebildeten Hohlzylinders, der sich an seinem rückwärtigen Ende radial zum Grundkörper 20 hin erweitert. Auf der dem Hubraum 40 zugewandten Innenseite, wo nach der Montage der Kolben 11 angeordnet sein wird, ist an den Dichtabschnitt 24 angrenzend ein Gleitelement 21 mit ebenfalls weitgehend hohlzylindrischer Form angeordnet. Das Gleitelement 21 dient zur unmittelbaren Anlage an den Kolben 11 und ist aus einem Material mit besonders guten Gleiteigenschaften, wie beispielsweise PTFE, gefertigt. Grundkörper 20 und Dichtabschnitt 24 sind in dieser Ausführungsform aus einem hochfesten Kunststoff mit guter Stütz- und Vorspannfunktion bzw. schlechten Fließeigenschaften gebildet, vorzugsweise einstückig.
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Dichtabschnitt 24 und Gleitelement 21 sind in der Darstellung gemäß 1, welche das System vor dem Zusammenbau zeigt, leicht konisch vorgeformt (auch eine zylindrische Form mit Untermaß gegenüber dem Kolben ist denkbar) und erstrecken sich dabei teilweise in den später vom Kolben 11 einzunehmenden Raum. Dadurch kann bei der Montage eine radiale Vorspannung des Dichtungsabschnittes erzeugt werden.
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Ein schmaler Dichtungsspalt 50 ist auf der von der Achse X abgewandten Außenseite des Dichtabschnitts 24 ausgebildet zwischen dem Dichtabschnitt 24 und einem Gehäuseabschnitt 70, der hier Teil des Pumpenkopfes 14 ist. Der Dichtungsspalt 50 kommuniziert mit dem Hubraum 40 über einen schmalen Verbindungspfad, der aus dem Hubraum 40 durch den Kolbenspalt über die vordere Stirnseite des Dichtabschnitts 24 auf dessen radiale Außenseite führt. Dichtungsspalt und Kolbenspalt haben zur Ausbildung einer gleichmäßigen Strömung bei minimalem Totvolumen in etwa die gleichen Querschnittsflächen.
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Der Dichtungsspalt wird radial nach außen ergänzt durch eine spiralförmige Nut, welche in der nach innen gerichteten Wandung des Gehäuseteils 70 ausgebildet ist. Die spiralförmige Nut bildet einen Strömungskanal 23, der sich auf der Außenseite des Dichtabschnitts 24 um diesen bzw. um die Achse X herum in einer vorgebbaren Steigung erstreckt und in einem im Pumpenkopf 14 vorgesehen Anschluss 30 mündet, der nach Bedarf verschließbar bzw. zu öffnen ist. Der spiralförmige Kanal 23 bildet Teil einer strömungstechnischen Verbindung vom Anschluss 30 durch den Dichtungsspalt und den Kolbenspalt bis in den Hubraum 40 und definiert einen totvolumenfreien Förderweg, der ein gleichmäßiges Strömungsprofil ermöglicht und das Ausspülen von Lufteinschlüssen oder anderen Rückständen gestattet.
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Bei Einführung des Kolbens 11 in den Pumpenkopf, wie in 2 dargestellt, weitet sich das zunächst konisch oder zylindrisch mit Untermaß vorgeformte Gleitelement 21 gemeinsam mit dem in gleicher Weise vorgeformten Dichtabschnitt 24 im Bereich der Position 29 auseinander. Beide Komponenten schmiegen sich dabei vollständig in die radiale Ausnehmung 31 (s. 1), wobei sie sich in etwa konzentrisch zur Achse X ausrichten. Dabei wirkt die aus der Aufweitung resultierende Vorspannung in radialer Richtung nach innen auf den Kolben 11, so dass bei Umgebungsdruck, Unterdrücken und kleinen Überdrücken bereits eine ausreichende Dichtwirkung erzielt werden kann. In ihrer in den Sitz eingepressten Lage füllt die Dichtung den Sitz bis auf den Dichtungsspalt bestmöglich aus, ohne nennenswerte Toträume zu hinterlassen.
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Jenseits des Dichtungsmechanismus 10 in Richtung zum vorderen Ende des Hubraumes 40 besteht zwischen Kolben 11 und Innenwand des Hubraumes 40 der schmale Kolbenspalt. Unter Druckbeaufschlagung des Hubraumes 40 wird das Medium in dem genannten Spalt und dem daran anschließenden Dichtspalt 50 und dem spiralförmigen Kanal 23 ebenfalls druckbeaufschlagt. Dabei presst der sich im Dichtungsspalt 50 aufbauende Druck den Dichtabschnitt 24 mit dem innenseitig daran anliegenden Gleitelement 21 in radialer Richtung nach innen gegen den Kolben 11, wodurch die bereits durch die Vorspannung erzielte Dichtwirkung noch verstärkt wird.
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Für den Fall, dass der Hubraum 40 unter hohem Druck von einem Trägermedium durchströmt werden muss (beispielsweise zur Einspeisung einer zuvor aufgenommenen Probe in eine Chromatographiesäule), kann über den Anschluss 30 in der dort angezeigten Pfeilrichtung das unter Hochdruck bereitgestellte Trägermedium in das rückwärtige Ende des spiralförmigen Kanals 23 eingespeist werden, von wo es sich, den Dichtabschnitt 24 spiralförmig umlaufend, entlang der vorderen Stirnseite des Dichtabschnitts 24 und über den Kolbenspalt bis in den Hubraum 40 und zum vorderen Anschluss 80 fördern lässt, um von dort aus dem Pumpenkopf abgeführt zu werden. Auch die Förderung in entgegengesetzte Richtung ist möglich.
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Dadurch ergibt sich der erfindungsgemäße Vorteil, eine idealerweise vorgespannte dynamische Dichtung zur Erhöhung der Dichtwirkung mit dem unter Hochdruck bereitstehenden Fördermedium zusätzlich zu beaufschlagen. Zugleich kann das Medium den außenseitig des Dichtabschnitts vorgesehenen spiralförmigen und totvolumenarmen Förderkanal 23 mit einem gleichmäßigen Strömungsprofil durchströmen, ohne dass nennenswerte Toträume bestehen.
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Zweckmäßigerweise ist die Dichtung bioinert ausgeführt, so dass das Medium mit dem Material der Dichtung keine biologische oder chemische Wechselwirkung eingeht. PEEK oder PTFE eigen sich hier als Material besonders gut. Um auch den Pumpenkopf mit einem inerten Material auszubilden, kann dieser bspw. aus Titan oder Keramik gefertigt werden. Die Ausbildung des Dichtabschnitts 24 und des Gleitelements 21 aus biologisch inerten Materialien ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu metallfreien Systemen, die am Markt sehr willkommen sind.
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3a und 3b zeigen eine leicht abgewandelte Ausführungsform vor (3a) sowie nach der Montage (3b). Am vorderen Ende des Dichtabschnitts 24 ist dabei eine Dichtlippe 33 angeformt, welche das Dichtelement 21 in axialer Richtung umgreift.
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Diese Dichtlippe 33 reibt zwar nicht oder nur geringfügig am Kolben 11, verhindert jedoch ein mögliches Wegfließen des beispielsweise aus PTFE ausgeführten Gleitelements in den Hubraum unter Beaufschlagung mit Hochdruck. Die Dichtlippe stellt sich dabei einem Fließvorgang des Gleitelement-Materials in axialer Richtung in den Weg und verhindert seine ungewollte Verformung. In 3b, welche den montierten Zustand darstellt, ist das Umgreifen des Gleitelements 21 durch die Dichtlippe 33 anschaulich zu erkennen. Wieder wurde darauf Wert gelegt, möglichst keine Toträume im Sitz 22 und insbesondere in dessen Ausnehmung 31 zu belassen, weshalb sich die Dichtlippe 33 in radialer Richtung im Wesentlichen bis zum Kolben 11 hin erstreckt. Beide axialen Enden des Dichtelements 21 können durch axiale Einfassung stabilisiert und gegen Fließen gesichert werden durch unmittelbaren Kontakt zum Dichtabschnitt oder auch mittels separatem, im Pumpenkopf gehaltenem Bauteil.
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Das axial rückwärtige Ende 28 des Gleitelements 21 wird bei der Montage in einen Verbindungsbereich 27 der Dichtung eingepresst, der seinerseits über eine Dünnstelle 26 mit dem Grundkörper 20 verbunden ist.
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4a und 4b zeigen eine abgewandelte Ausführungsform, bei der der Dichtabschnitt 24 auch im montierten Zustand eine konische Form aufweist. Innenseitig des Dichtabschnitts 24 ist ein im unmontierten Zustand radial nach innen ausgebauchtes Gleitelement 21 vorgesehen, wobei sich das Gleitelement 21 vor der Montage des Kolbens 11 in radialer Richtung deutlich in den Bereich hinein erstreckt, der später vom Kolben 11 ausgefüllt wird. Nach der Montage des Kolbens, wie in 4b zu sehen ist, hat sich das Gleitelement 21 gemeinsam mit dem Dichtabschnitt 24 im Bereich 29 radial nach außen erweitert, wobei die Ausnehmung 31 mit Ausnahme des Dichtungsspaltes weitgehend ausgefüllt wird, um keine Toträume auszubilden. Während in den vorangegangenen Beispielen das Gleitelement 21 gegenüber dem Dichtabschnitt 24 von eher vernachlässigbarer radialer Dicke ausgebildet war, hat es in den Ausführungen gemäß 4a und 4b eine zum vorderen Ende des Pumpenkopfes hin zunehmende Wandstärke. Über die größere Wandstärke kann das Gleitelement 21 mit einer größeren radialen Vorspannung hergestellt werden, um auch bei geringen Betriebsdrücken eine sichere Abdichtung erreichen zu können. Der Dichtabschnitt 24 verläuft in axialer Richtung entlang der ansteigenden Wandstärke des Dichtelements 21, indem die Wandstärke des Dichtabschnitts 24 zum vorderen Ende des Pumpenkopfes 14 hin abfällt. Gleichwohl besteht auf der Außenseite des Dichtabschnitts 24 wieder der Dichtungsspalt 50 mit dem spiralförmigen Kanal 23. Axial wirkende Ringkörper 36 stützen das Dichtelement 21 beidseitig ab.
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Durch die besondere Formgebung der Dichtlippe in diesem Fall kann eine radiale Vorspannung auf den Kolben mit einem definierten Profil in X-Richtung erzeugt werden. Auch eine höhere Verschleißfestigkeit ist durch die Materialverstärkung des Dichtelements 21 möglich.
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Die in 5 und lediglich im montierten Zustand dargestellte Ausführungsform stellt eine Weiterentwicklung der Variante gemäß 3a und 3b dar. Hierbei ist zusätzlich zur ersten Lippe 33 eine zweite Lippe 35 zur axialen Begrenzung des Dichtelements 21 vorgesehen. Die Dichtlippe 35 grenzt axial unmittelbar an das Gleitelement 21 und wird auf ihrer dem Gleitelement abgewandten Seite durch einen Ringkörper 36 gestützt, der bspw. aus PEEK oder Keramik gefertigt sein kann. Die Dichtlippe 35 verhindert eine Verformung des Dichtelements in die dem Hubraum 40 abgewandte Richtung. Durch die in axialer Richtung beidseitige Einfassung des Dichtelements 21 wird dieses in seiner Lage auch gegen Verrutschen gesichert.
