ИГОЛЬЧАТОЕ СОПРЯЖЕНИЕ ДЛЯ ЖИДКОСТНЫХ СОЕДИНЕНИЙ
NEEDLE-LIKE INTERFACE FOR FLUID CONNECTIONS

Настоящее изобретение относится к охватывающему сопрягающемуся модулю и соответствующему охватываемому сопрягающемуся модулю для осуществления жидкостного соединения между двумя компонентами, в частности между инструментом и пробоотборниками. Более того, оно относится к компоненту пробоотборника и к инструменту, содержащему такие сопрягающиеся модули.
Сопрягающиеся модули, способные обеспечить жидкостное соединение между двумя различными компонентами, в частности используются в лабораторных средах при обработке жидких образцов. В US 5339701 в этой связи описано игольчатое сопряжение между пробоотборником и газовым хроматографом, при этом один из этих инструментов содержит отверстие, покрытое диафрагмой, в то время как другой инструмент содержит сужающуюся полую иглу. Игла протыкает диафрагму, когда между инструментами установлено жидкостное соединение.
В US 3353411 описан воздухонепроницаемый сопрягающийся модуль для забора образцов газа из хранилища. Данное устройство содержит канал, закрытый упругим уплотняющим компонентом, который может быть проколот конической иглой.
В US 2002131902 описаны самостоятельно герметизирующиеся контейнеры для образцов жидкости, содержащие упругое уплотнение с ослабленным участком, через который тупой конец, например пипетки, может быть проведен. Ослабление может быть достигнуто при помощи прорезов в уплотнении или сквозь него.
В ЕР 1275957 описана установка для хроматографического впрыскивания жидкостей, содержащая уплотняющий элемент с прорезью, через которую можно ввести коническую иглу.
ЕР 0761562 относится к соединителю для флакона, и в нем упомянуто использование «мембраны с предварительной прорезью».
В WO 9311696 описан соединитель, содержащий упругое уплотнение с прорезью, через которую можно провести тупую иглу.
В US 5339701 описано специальное игольчатое сопряжение для газового хроматографа, содержащее металлическую иглу, которая частично окружена муфтой. В соединенном состоянии коническая игла прокалывает диафрагму в гайке, в то время как ниппель вышеуказанной гайки помещается в муфту, таким образом, обеспечивая механическую устойчивость независимо от разных размеров гаек.
В ЕР 1652787 описано устройство для покрытия контейнеров с жидкостями, содержащее мембрану с множеством прорезей, сквозь которые можно провести иглу.
На основании этого предшествующего уровня техники задачей настоящего изобретения является обеспечение альтернативного игольчатого сопряжения, в частности подходящего для лабораторных сред, при этом желательно, чтобы множество пробоотборников могло быть присоединено к инструменту с минимальным затраченным усилием.
Данная задача достигается посредством охватываемого сопрягающегося модуля по п.1, посредством соединительной системы по п.4, и посредством инструмента по п.8. Предпочтительные воплощения описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.
Сначала будет описан охватывающий сопрягающийся модуль соединительной системы, служащий для приема иглы и содержащий упругий уплотняющий компонент с предварительно выполненным каналом, сквозь который можно протолкнуть иглу с наружной стороны к внутренней стороне уплотняющего компонента. Предварительно выполненный канал может, в принципе, иметь любое поперечное сечение, хотя круглое поперечное сечение является предпочтительным. Поперечное сечение предварительно выполненного канала может точно соответствовать поперечному сечению принимаемой иглы; предпочтительно поперечное сечение канала, тем не менее, меньше сечения соответствующей иглы (диаметр круглого поперечного сечения, например, может быть меньше диаметра цилиндрической иглы). Канал расширяется в этом случае, если игла проталкивается сквозь него, таким образом, обеспечивая герметичное помещение иглы внутрь канала. Диаметр поперечного сечения предварительно выполненного канала может даже быть нулевым, когда он не содержит иглы, т.е. канал может представлять собой просто прорезь или прокол через материал уплотняющего компонента без удаления этого материала.
Описанный охватывающий сопрягающийся модуль обладает преимуществом в том, что сила, с которой необходимо протолкнуть иглу через уплотняющий компонент, снижается, поскольку игла может следовать по предварительно выполненному каналу, и не должна прорезать себе путь в материале. Это облегчает эксплуатацию для пользователя и сохраняет игле требуемую устойчивость. Более того, игла может иметь тупой конец, что снижает риск повреждения для пользователей.
В предпочтительном воплощении охватывающего сопрягающегося модуля уплотняющий компонент обладает большей упругой деформацией в радиальном направлении его канала, чем в осевом направлении канала. Уплотняющий компонент может, таким образом, сравнительно просто повторять боковые движения иглы в предварительно выполненном канале, и остается жестким в осевом направлении. Если игла проталкивается через канал, уплотняющий компонент, таким образом, не будет поддаваться под давлением в осевом направлении, но будет сохранять свое положение, таким образом, способствуя продвижению иглы.
В соответствии с дальнейшей разработкой настоящего изобретения уплотняющий компонент охватывающего сопрягающегося модуля содержит муфту, в которой на одном конце муфты (т.е. следом за ним) расположен предварительно выполненный канал. Внутренний диаметр вышеуказанный муфты предпочтительно больше наружного диаметра иглы для обеспечения свободного прохождения иглы. Муфта может, по желанию, простираться к внутренней стороне уплотняющего компонента. Если с внутренней стороны уплотняющего компонента находится газ или жидкость под давлением, она будет окружать муфту и прижимать ее к игле в канале. Таким образом, муфта обладает самоуплотняющимся эффектом.
Охватывающий сопрягающийся модуль может дополнительно по желанию содержать воронкообразный направляющий элемент с наружной стороны уплотняющего компонента. Направляющий элемент обеспечивает вход большего диаметра для захвата кончика иглы и для направления его в сравнительно маленький вход предварительно выполненного канала. Направляющий элемент, таким образом, упрощает процедуру соединения и способствует избеганию трудоемкого вкручивания иглы.
Настоящее изобретение дополнительно относится к охватываемому сопрягающемуся модулю, содержащему полую иглу и втулку, в котором:
- первый участок иглы прочно заделан в первый участок втулки, и
- игла содержит свободный конец, который в осевом направлении частично окружен вторым участком втулки, и который способен изгибаться в радиальном направлении (вышеуказанное осевое и радиальное направления определяются относительно оси иглы); более того, существует промежуточное пространство между иглой и вторым участком втулки.
Одно из преимуществ данного сопрягающегося модуля заключается в том, что игла прочно установлена во втулку, и тем, что ее свободный конец (частично) защищен вышеуказанной втулкой. Более того, радиальная или боковая упругая деформация иглы является предпочтительной, если иглу необходимо протолкнуть через отверстие, например, через предварительно выполненный канал в охватывающем сопрягающемся модуле типа, описанного выше. Игла может, в таком случае, изгибаться, если она точно не выровнена с отверстием, и находит свой путь наподобие самовыравнивания. Более того, боковая упругая деформация иглы снижает риск повреждений.
В соответствии с дополнительной особенностью вышеупомянутого охватываемого сопрягающегося модуля радиальное перемещение иглы ограничено вторым участком втулки до диапазона упругой деформации иглы. Это означает, что второй участок втулки, который частично окружает свободный конец иглы, служит в качестве упора для радиального перемещения иглы. Таким образом, предотвращается чрезмерный изгиб иглы, который может привести к пластической деформации. Требуемого эффекта можно достичь при помощи подходящих размеров иглы и втулки. Например, предпочтительно, чтобы длина L свободного конца иглы составляла по меньшей мере в двадцать раз больше, чем (наружный) диаметр d иглы, т.е. L≥20*d. Таким образом, относительно длинная часть иглы простирается свободно от первого участка втулки, таким образом, обеспечивая высокую упругую деформацию в боковом направлении. Следует отметить, однако, что упругая деформация в боковом направлении может как вариант или дополнительно также быть достигнута при помощи гибкой втулки и/или путем поддержания втулки с возможностью изгиба.
Вершина свободного конца иглы предпочтительно тупая, т.е. не имеет острых граней или пиков. Такая тупая вершина снижает риск повреждений для пользователя и устраняет необходимость в особой защите иглы в ее неиспользуемом состоянии, например, при помощи колпачка.
В соответствии с дополнительной разработкой настоящего изобретения охватываемый сопрягающийся модуль содержит трубчатый соединитель, находящийся в жидкостном соединении с внутренним пространством иглы, и к которому (по определению) может быть присоединена труба. Трубчатый соединитель может, например, быть напрямую прикреплен или объединен с втулкой, которая поддерживает иглу.
Настоящее изобретение дополнительно относится к соединительной системе, содержащей модули типа, описанного выше, т.е. охватывающий сопрягающийся модуль с упругим уплотняющим компонентом, содержащим предварительно выполненный канал, и охватываемый сопрягающийся модуль, содержащий полую иглу, расположенную во втулке, имеющую изгибаемый в боковом направлении свободный конец. Более того, (внутренний) диаметр предварительно выполненного канала в охватывающем сопрягающемся модуле должен быть меньше наружного диаметра иглы в охватываемом сопрягающемся модуле, что гарантирует непроницаемое уплотнение иглы, когда она введена в предварительно выполненный канал, и дополнительно обеспечивает эффект самостоятельной очистки внешней поверхности иглы. Следует отметить, что если канал и/или игла не имеют круглого поперечного сечения, их «диаметр» следует определять надлежащим образом, например, как максимальное расстояние между двумя точками на периметре поперечного сечения и/или диаметр круга, имеющего ту же площадь, что и поперечное сечение.
Настоящее изобретение дополнительно относится к компоненту пробоотборника, содержащему пробоотборную камеру, в которой может содержаться образец жидкости, и охватывающий сопрягающийся модуль типа, описанного выше. Компонент пробоотборника может, например, использоваться в лабораторных процедурах для исследования биологических жидкостей (кровь, слюна и т.д.). Благодаря такой конструкции своего сопрягающегося модуля доступ к такому компоненту пробоотборника легко можно получить при помощи иглы.
Настоящее изобретение дополнительно относится к инструменту для обработки образца во внешней пробоотборной камере, вышеуказанный инструмент содержит охватываемый сопрягающийся модуль типа, описанного выше. Данный инструмент можно предпочтительно использовать в комбинации с вышеупомянутым компонентом пробоотборника, поскольку предварительно выполненный канал в охватывающем сопрягающемся модуле и возможность бокового изгиба полой иглы охватываемого сопрягающегося модуля позволяют осуществить легкое соединение между этими двумя компонентами.
Эти и другие объекты изобретения станут очевидны и будут освещены со ссылкой на воплощение (воплощения), описанное здесь далее. Эти воплощения будут описаны в виде примера с помощью прилагаемого чертежа.
Единственный чертеж изображает разрез соединительной системы в соответствии с настоящим изобретением, содержащей компонент пробоотборника с охватывающим сопрягающимся модулем и инструмент с охватываемым сопрягающимся модулем.
Несмотря на то, что соединительная система в соответствии с настоящим изобретением будет описана далее со ссылкой на конкретное применение в лабораторной среде, она в принципе может быть использована во многих других областях, например в промышленных технологических машинах. Соединительная система, показанная на чертеже, содержит охватывающий сопрягающийся модуль 10 и охватываемый сопрягающийся модуль 20. Охватывающий сопрягающийся модуль 10 объединен с компонентом 11 пробоотборника, который лишь частично изображен на чертеже, поскольку его подробная конструкция не имеет значения для настоящего изобретения. Подобным образом, охватываемый сопрягающийся модуль 20 объединен с инструментом, лишь рама 21 которого показана на чертеже.
Компонент пробоотборника, как правило, представляет собой продукт разового использования, применяемый для осуществления одного испытания, в то время как инструмент оснащен всем необходимым оборудованием для осуществления испытания. В ходе испытаний жидкости, присутствующие в пробоотборнике, как правило, должны быть перемешаны, нагреты, охлаждены и перемещены. Перемещение этих жидкостей от одной части пробоотборника к другой может осуществляться, например, сжатым воздухом. Для применения давления, созданного в инструменте, к пробоотборнику, пробоотборник и инструмент должны быть оборудованы сопряжением по воздуху. Более того, перемещение жидкостей может быть оценено путем измерения увеличения давления в инструменте. Для достоверной оценки вышеуказанные сопряжения по воздуху должны быть воздухонепроницаемыми. В известных воздухонепроницаемых сопряжениях между инструментом и пробоотборником игла используется для прокола закрытой мембраны или диафрагмы. Одним из недостатков этого метода является то, что игла должна быть острой, и, таким образом, ее следует оградить, чтобы не создавать риска повреждения. Другим недостатком является то, что мембрана или диафрагма является достаточно жесткой для боковых перемещений, в то время как ей необходимо выдерживать усилия, требуемые для ее прокола.
Соединительная система, показанная на чертеже, обеспечивает улучшенное воздухонепроницаемое сопряжение, помогающее избежать вышеупомянутых проблем. Охватываемый сопрягающийся модуль 20 этой системы содержит полую иглу 23, помещенную во втулку 22 таким образом, что первый короткий участок иглы 23 (здесь нижний конец иглы) закреплен в первом участке 22а втулки, в то время как длинный оставшийся «свободный конец» иглы 23 может свободно перемещаться вбок. Этот свободный конец частично (предпочтительно, не более чем на 50% своей осевой длины L) окружен вторым участком 22b втулки 22. Внутренний диаметр D этого второго участка 22b больше, чем наружный диаметр d иглы так, что вокруг иглы формируется кольцевой зазор. Концевой участок иглы 23 выступает свободно из втулки 22.
Точка крепления иглы 23 во втулке 22 удалена как можно дальше от свободной вершины иглы 23. Длина L «свободного конца» иглы 23 в показанном примере более чем в 30 раз больше, чем наружный диаметр d иглы 23. Это обеспечивает гибкость иглы 23 в боковом направлении. Более того, внутренний диаметр D второго участка 22b втулки 22 выбирается так, что он останавливает перемещение иглы вбок как раз до возникновения необратимой пластической деформации иглы. На верхнем конце участка 22b игла не может перемещаться более чем на расстояние (D/2-d/2) в любую сторону.
Наружная поверхность иглы 23 предпочтительно является гладкой, в то время как конец иглы 23 тупой, и его грани отшлифованы для обеспечения плавного входа иглы 23 в охватывающий сопрягающийся модуль и для минимизации риска повреждений.
Игла 23, например, приклеена или впрессована в первый участок 22а втулки 22 для обеспечения воздухонепроницаемости соединения между втулкой 22 и иглой 23, и для крепления иглы 23 к втулке 22. Более того, втулка 22 оборудована трубчатым сопряжением 24, что делает возможным присоединения трубы (не показано) для обмена жидкостями с внутренним пространством иглы 23. Типичный материал втулки представляет собой нержавеющую сталь или пластик.
Вторая часть соединительной системы представляет собой охватывающий сопрягающийся модуль 10 в пробоотборнике. Этот модуль 10 содержит уплотняющий компонент 12, который может, например, быть изготовлен из каучука или подобного эластичного материала, и который содержит открытый, предварительно сформированный канал 12а, который размещается вокруг иглы 23 для создания воздухонепроницаемого сопряжения. Диаметр канала 12а в уплотняющем компоненте 12 (по меньшей мере) меньше, чем наружный диаметр d иглы 23; он может, например, иметь значение от 0% до 99% диаметра d, наиболее предпочтительно от 50% до 99%. Уплотняющий компонент 12 будет, таким образом, должен растягиваться, если игла 23 вводится, и создавать воздухонепроницаемое сопряжение. Гибкость в боковом направлении уплотняющего компонента 12 обеспечивает, что он может следовать за перемещением вбок иглы 23 без потери воздухонепроницаемости. В осевом направлении своего канала уплотняющий компонент 12, тем не менее, обладает некоторой жесткостью для предотвращения давления на иглу 23 вместо проталкивания иглы через уплотняющий компонент 12.
Уплотняющий компонент 12, по желанию, содержит муфту 12b, которая простирается вверх внутрь пробоотборника, и имеющую предварительно выполненный канал 12а на верхнем конце. Эта муфта 12b обеспечивает дополнительную воздухонепроницаемость, когда внутри пробоотборника возникает чрезмерное давление.
Охватывающий сопрягающийся модуль 10 дополнительно содержит направляющий элемент 13, расположенный с наружной стороны уплотняющего компонента 12, т.е. обращенный к инструменту. Направляющий элемент 13 имеет такую форму (например, подобную воронке), что игла 23 может предварительно выравниваться относительно уплотняющего компонента 12, и что он выполняет функцию упора, который ограничивает перемещение вбок иглы 23 относительно уплотняющего компонента 12.
Игла 23 и втулка 22 совместно поддерживаются рамой 21 инструмента.
Когда между инструментом и пробоотборником выполняется новое сопряжение, игла 23 проталкивается через уплотняющий компонент 12. Поскольку уплотняющий компонент 12 имеет воздухонепроницаемую посадку вокруг иглы 23, он выполняет функцию очистителя для сопряжения путем отталкивания частиц грязи.
Описанная соединительная система может быть модифицирована несколькими способами, например:
- Игла 23 может дополнительно или альтернативно быть гибкой в боковых направлениях путем обеспечения гибкой втулки 22;
- Вместо использования втулки 23 для создания соединения по воздуху соединение по воздуху может быть также выполнено с рамой. Игла 23 может, в таком случае, быть помещена непосредственно в раму, таким образом, сокращая количество требуемых деталей.
- Форма уплотняющего компонента 12 может отличаться от показанной в зависимости от требований. Таким образом, уплотнительное кольцо может, например, выполнять функцию уплотняющего компонента.
Соединительная система может предпочтительно быть использована во всех инструментах/продуктах, которые необходимо воздухонепроницаемо соединить, например, в лабораторных инструментах или в технологическом оборудовании. Она обеспечивает следующие преимущества:
- Благодаря гибкости иглы 23 и упругому уплотняющему компоненту 12 соединительная система может справляться с перемещениями между инструментом и пробоотборником, например, перемещениями, вызванными термическим расширением.
- Благодаря игле 23, гибкой в боковом направлении, соединенные компоненты оказывают относительно малые силы друг на друга.
- После ввода иглы 23 через уплотняющий компонент 12 никакие силы не оказываются между соединенными частями в осевом направлении иглы 23.
- Сопряжение является самоочищающимся, поскольку частицы грязи, которые могут прилипнуть к игле 23, автоматически снимаются с иглы 23 каждый раз при образовании нового сопряжения.
- Форма уплотняющего компонента 12 обеспечивает дополнительную воздухонепроницаемость при применении избыточного давления.
- Поскольку игла 23 вводится через уплотняющий компонент 12, длина иглы 23 не должна быть точной.
В конечном счете, следует отметить, что в настоящем заявлении термин «содержащий» не исключает других элементов или этапов, а артикли «а» и «an» не исключают множественного числа, и что единый процессор или другой блок может осуществлять функции нескольких средств. Настоящее изобретение относится ко всем без исключения новым характерным признакам и ко всем без исключения комбинациям характерных признаков. Более того, ссылки в формуле изобретения не следует расценивать как ограничение его пределов.