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Die Erfindung betrifft eine Steckereinheit zum Verbinden von Kapillaren, insbesondere für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC), mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verbindungssystem bestehend aus einer Buchseneinheit und einer derartigen Steckereinheit gemäß Anspruch 16.
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In Chromatographieanlagen werden Flüssigkeiten oder Gase durch geeignete Verbindungsleitungen zwischen den Komponenten der betreffenden Anlage gefördert. Diese Verbindungsleitungen, die beispielsweise aus Edelstahl bestehen können, verfügen an ihren Enden über geeignete Verbindungssysteme, auch als Fittings bezeichnet, um mit den Anschlüssen der Komponenten eine dichte Verbindung herstellen zu können.
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Ein derartiges Verbindungssystem wurde bereits 1975 in der
US 3 880 452 A beschrieben. Eine die Verbindungsleitung zwischen zwei Komponenten bildende Kapillare wird dabei in die Kapillarenaufnahmeöffnung einer Buchseneinheit bzw. Verbindungseinheit eingeschoben und mittels einer Befestigungsschraube, die eine zentrale Bohrung für das Führen der Kapillare aufweist, in der Buchse fixiert. Zur Dichtung werden ein oder mehrere Dichtelemente, welche die Kapillare in ihrem vorderen Endbereich umgeben, mittels der Befestigungsschraube beim Verbinden von Kapillare und Buchseneinheit in die Kapillarenaufnahmeöffnung, die nach innen konisch verläuft, hineingepresst.
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Nachteilig hierbei ist jedoch, dass die Dichtwirkung nicht in der zur Längsachse der Kapillare senkrechten Ebene der Stirnfläche erfolgt, sondern in axialer Richtung eine bestimmte Strecke von der Stirnfläche rückwärts versetzt ist. Hierdurch ergibt sich ein Totvolumen, das sich insbesondere in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie nachteilig auswirkt. Um bei den in der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie verwendeten extrem hohen Drücken die Dichtigkeit derartiger Verbindungen gewährleisten zu können, werden häufig Dichtelemente verwendet, wie sie beispielsweise in
2 der
US 4 619 473 A als Stand der Technik beschrieben sind. Hierbei handelt es sich um im Querschnitt ringförmige Dichtelemente, die meist ebenfalls aus Edelstahl bestehen und die im Längsschnitt teilweise einen konischen Verlauf des Außendurchmessers aufweisen. Die Kapillare ragt dabei mit ihrem vordersten Abschnitt durch das Dichtelement hindurch bis in eine zylindrische Ausnehmung (Pilotbohrung) im Buchsenelement. Das Buchsenelement erweitert sich ausgehend vom rückwärtigen Ende der Pilotbohrung konisch, wobei die konische Erweiterung gegenüber der Längsachse der Kapillare einen größeren Winkel aufweist als das Dichtelement. Hierdurch wird bei einem Einpressen des Dichtelements in die Aufnahmeöffnung mittels einer Befestigungsschraube auf den vorderen Bereich des Dichtelements ein extrem hoher, radial einwärts gerichteter Druck ausgeübt, so dass sich hier die Dichtstelle ergibt. Durch diesen Druck ergibt sich jedoch meist eine Deformation des Dichtelements und der Kapillare, wobei das Dichtelement mit seiner Vorderkante ringförmig in den Außenumfang der Kapillare eingedrückt wird.
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Eine derartige Deformation ist insbesondere deshalb unerwünscht, weil hierdurch das Dichtelement form- und kraftschlüssig mit der Kapillare verbunden wird und das Dichtelement nicht mehr ohne weiteres in axialer Richtung auf der Kapillare verschoben werden kann. Wird die dichtende Verbindung gelöst und soll ein derartiges Steckerelement in eine andere Buchseneinheit eingeschraubt werden, beispielsweise weil eine Komponente der Chromatographieanlage ersetzt werden muss, so kann zwar erneut eine dichte Verbindung hergestellt werden, jedoch kann infolge von Toleranzen oder Hersteller abhängigen Unterschieden in der Tiefe der Aufnahmeöffnung nicht mehr gewährleistet werden, dass die Kapillare mit ihrer Stirnfläche wieder die Stirnfläche der damit zu verbindenden Leitung beaufschlagt. Ist die Aufnahmeöffnung der Buchseneinheit der ausgetauschten Komponente in axialer Richtung länger als bei der zuvor verwendeten Komponente, so entsteht ein unerwünschtes Totvolumen. Ist die Aufnahmeöffnung für die Kapillare bei der ausgetauschten Komponente in axialer Richtung kürzer als bei der zuvor verwendeten Komponente, so wird die Kapillare durch den Druck der Befestigungsschraube sogar deformiert, gegebenenfalls beschädigt, und eine dichte Verbindung ist unter Umständen nicht mehr möglich. Denn das auf der Kapillare form- und kraftschlüssig befestigte Dichtelement kann sich in axialer Richtung nicht bewegen.
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Jedoch kann bei einem derartigen Fitting ein gewisses Totvolumen auch dann kaum vermieden werden, wenn sich die Stirnflächen der Kapillare und der damit zu verbindenden Leitung unmittelbar gegenüberstehen oder berühren, da sich die Dichtstelle nicht im Bereich der Stirnfläche der Kapillare bzw. der damit zu verbindenden Leitung befindet.
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Zur Lösung dieses Problems bietet die
DE 10 2009 022 368 B3 eine Steckereinheit, bei der auf der Außenseite der Kapillaren ein ringförmiges Dichtelement vorgesehen ist. Dieses wird zusammen mit der Kapillare in die Pilotbohrung eines Buchsengehäuses eingeschoben und mit einer axialen Druckkraft so beaufschlagt, dass durch plastische oder elastische Verformung des Dichtelements eine Abdichtung der Kapillarenverbindung bereits im Bereich der Grundfläche der Pilotbohrung erzielt wird, wodurch die Entstehung eines Totvolumens vermieden wird. Bei der Demontage der Verbindung lässt sich das Dichtelement gemeinsam mit der Kapillare auch vergleichsweise einfach aus der Pilotbohrung herausziehen.
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Diese Steckereinheit ist nachteiligerweise aber nur für solche Kapillaren geeignet, die beim Einstecken in die Pilotbohrung auf der Außenseite der Kapillare ausreichend Raum bieten, um dort das ringförmige Dichtelement anzuordnen. Da sich die vorbeschriebene Gestalt des Buchsenelements der
US 4 619 473 A als Standard etabliert hat und sich in der HPLC für die Pilotbohrung ein Durchmesser von ca. 1,7 mm als Standard durchgesetzt hat, beschränkt sich die Eignung dieser Steckverbindung auf dünne Kapillaren mit Außendurchmessern von deutlich weniger als 1,7 mm, beispielsweise 200 μm bis 500 μm, wie z. B. Fused-Silica-Kapillaren, oder auch Metallkapillaren mit z. B. ca. 0,8 mm Außendurchmesser. Für Kapillaren mit größeren Außendurchmessern, wie z. B. die in der HPLC weit verbreiteten Kapillaren mit ca. 1,6 mm Außendurchmesser, ist die Steckereinheit dagegen ungeeignet.
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Aus der
WO 97/45666 A1 ist eine Verbindung für Röhrchen bekannt, bei der ein hohlzylindrischer Schaft in das Innere eines kapillarartigen Rohrabschnitts hineinragt. An seinem vorderen freien Ende, welches aus dem Rohrabschnitt herausragt, stützt der Schaft ein elastisches Dichtmittel und wird zur Abdichtung gemeinsam mit dem Dichtmittel in eine Pilotbohrung einer Verbindungsmuffe gedrückt.
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Die
WO 2010/133192 A1 beschreibt ein Verbindungssystem für Kapillaren, bei dem ein Dichtelement das vordere Ende der Kapillare umgibt und zugleich den radialen Zwischenraum zwischen Kapillare und einer Pilotbohrung ausfüllt, in welche die Kapillare eingesetzt wird. Durch axialen Vorschub des Steckergehäuses wird das Dichtmittel mit einer Druckkraft beaufschlagt und dichtet die Kapillare gegen die Pilotbohrung ab.
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Aufgabe der Erfindung war es daher, eine zur standardisierten Buchseneinheit kompatible Steckereinheit anzubieten, die eine druckdichte Kapillarenverbindung gewährleistet für Kapillaren mit größerem Außendurchmesser, der annähernd so groß ist wie der Innendurchmesser der Pilotbohrung. Diese Kapillaren sollen im Bereich ihrer Stirnseite bzw. innerhalb der Pilotbohrung auch gegen hohe Betriebsdrücke sicher abgedichtet werden können. Aufgabe war es weiterhin, eine leicht montierbare bzw. demontierbare Steckverbindung für solche Kapillaren anzubieten.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Steckereinheit nach Anspruch 1 bzw. ein Verbindungssystem nach Anspruch 16. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass ein zur Abdichtung einer Kapillarenverbindung verwendetes Dichtelement wenigstens teilweise in das Innere einer Kapillare hineinragen kann. Es wird dadurch nicht nur in seiner Lage stabilisiert und einer besonders gleichmäßigen Kräftebeaufschlagung unterworfen, es lässt sich dadurch auch in besonders platzsparender Weise einsetzen für Verbindungen, bei denen der Außendurchmesser der Kapillare im Wesentlichen dem Innendurchmesser einer Pilotbohrung entspricht, in welche die Kapillare zum Zweck der Verbindung eingeschoben wird. Schließlich lässt sich das Dichtelement mit der Kapillare auf diese Weise ausreichend fest verbinden, so dass es bei der Demontage gemeinsam mit der Kapillare wieder aus der Pilotbohrung herausgezogen werden kann und nicht etwa darin stecken bleibt.
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Die erfindungsgemäße Steckereinheit gestattet dabei die axiale Druckbeaufschlagung des Dichtelements und dessen daraus resultierende, abdichtende, plastische oder elastische Verformung unmittelbar im Bereich der vorderen Stirnwand der Kapillare. Im Gegensatz zum Stand der Technik gelingt dies auch ohne ein die Kapillare außenseitig umlaufendes Dichtelement.
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Eine zur Verformung des Dichtelements erforderliche axiale Druckkraft wird dabei über die Kapillare an das Dichtelement weitergeleitet. Eine separate axiale Beaufschlagung des Dichtelements nach dem Vorbild des Standes der Technik auf der Außenseite der Kapillare kann prinzipiell vorteilhaft entfallen. Damit erlaubt die erfindungsgemäße Steckereinheit eine besonders einfache und zugleich druckdichte Verbindung von dickeren Kapillaren. Sie ist insbesondere auch für die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie geeignet, da sie eine Abdichtung auch gegen die dort üblichen hohen Betriebsdrücke ermöglicht.
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Die Steckereinheit umfasst ein Steckergehäuse mit einer axialen Bohrung. Eine entlang einer Kapillarenachse verlaufende Kapillare durchragt dabei die axiale Bohrung des Steckergehäuses. Weiterhin umfasst die Steckereinheit an einem vordersten Abschnitt der Kapillare ein im Querschnitt vorzugsweise ringförmiges Dichtelement, welches durch elastische oder plastische Deformation die gewünschte Dichtwirkung aufbringen soll. Die Dichtwirkung entsteht dabei innerhalb einer Pilotbohrung, die zu einer mit dem Steckergehäuse lösbar verbindbaren Buchseneinheit gehört. Im verbundenen Zustand von Steckereinheit und Buchseneinheit ragt die Kapillare dabei in die Pilotbohrung und liegt mit ihrem vorderen Ende einer in der Buchseneinheit angeordneten Buchsenkapillare oder Buchsenkapillarenöffnung im Wesentlichen fluchtend gegenüber.
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Erfindungsgemäß weist das Dichtelement dabei einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt auf, wobei sich das Dichtelement an dem vordersten Abschnitt der Kapillare mit seinem ersten Dichtabschnitt in das Innere der Kapillare dergestalt hineinerstreckt, dass die Kapillare den ersten Dichtabschnitt mit einem gegenüber dem ersten Dichtabschnitt radial weiter außen gelegenen Wandabschnitt gezielt umfasst.
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Der zweite Abschnitt der Dichtelements ragt dabei über die vordere Stirnseite der Kapillare um ein Maß heraus und wird bei einer Verschiebebewegung der Kapillare in Richtung auf die gegenüberliegende Buchseneinheit mit einer Druckkraft beaufschlagt, die den zweiten Dichtabschnitt verformt. Der zweite Dichtabschnitt legt sich dabei an die Konturen der angrenzenden Elemente bzw. Wandflächen an und dichtet bestehende Spalten ab, ohne dabei die stirnseitige Öffnung der Kapillare und den Durchgang in die gegenüberliegende Buchsenkapillare bzw. Buchsenkapillarenöffnung zu verschließen.
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Dadurch, dass sich der erste Dichtabschnitt in das Innere der Kapillare erstreckt, lässt sich eine in die Wandung der Kapillare eingeleitete axiale Druckkraft gut auf das in die Kapillare hineinragende Dichtelement übertragen, so dass die Druckkraft schließlich zur gewünschten Abdichtung durch Verformung des zweiten Dichtabschnitts führt, welcher an den ersten Dichtabschnitt angrenzt und aus der Kapillare vorne herausragt. Zugleich lässt sich das Dichtelement besonders einfach montieren, indem es im demontierten Zustand (Steckereinheit ist getrennt von der Buchseneinheit) mit seinem ersten Dichtabschnitt stirnseitig in die Kapillare eingesetzt und dann gemeinsam mit dieser in die Pilotbohrung der Buchseneinheit eingeschoben wird.
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Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass innerhalb des ersten Dichtabschnitts ein Abschnitt eines Einsatzelements angeordnet ist, um den ersten Abschnitt des Dichtelements an seiner Innenseite in radialer Richtung zu stützen bzw. zu stabilisieren. Ermöglichst wird dies durch eine zylindrische Ausnehmung bzw. Bohrung im vorderen Ende der Kapillare, wobei in die innere Bohrung des im Wesentlichen hohlzylindrischen Dichtelements ein weiteres, ebenfalls im Wesentlichen hohlzylindrisches Einsatzelement eingesetzt wird. Dieses Einsatzelement besteht aus einem wesentlich härteren Material als das Dichtelement und verhindert, dass sich das Dichtelement in diesem Bereich unter der aufgebrachten Druckkraft unzulässig verformt.
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Das Einsatzelement erlaubt die Stabilisierung des ersten Dichtabschnitts von innen, so dass dieser Dichtabschnitt innenseitig von der äußeren Mantelfläche des Einsatzelementes und außenseitig von der Wandung der aufgebohrten Kapillare gestützt wird.
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Das zur Stabilisierung und vorteilhaften Druckbeaufschlagung des ersten Dichtabschnitts vorgesehene Einsatzelement ist zweckmäßigerweise als Hülse ausgebildet, welche an ihrem dem vorderen Kapillarenende abgewandten hinteren Ende eine flanschartige Erweiterung aufweist. Der Außendurchmesser dieser flanschartigen Erweiterung entspricht dabei vorzugsweise demjenigen der Bohrung, mit der die Kapillare erweitert wurde. Zugleich entspricht dieser Außendurchmesser dem Außendurchmesser des ersten, ringförmigen Dichtabschnitts. Entsprechend liegt der erste Dichtabschnitt mit seinem hinteren Ende an der flanschartigen Erweiterung des Einsatzelementes an und kann über dieses eine nach vorne gerichtete Druckkraft erfahren. Das Einsatzelement seinerseits stützt sich an seinem hinteren Ende (der Rückseite der flanschartigen Erweiterung) auf dem ringförmigen Abschnitt der Kapillare ab, der durch die vorbeschriebene Bohrung entstanden ist.
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Als besonders effektiv hat sich darüber hinaus die Variante erwiesen, wonach das Einsatzelement den ersten Dichtabschnitt in axialer Richtung hintergreift, um eine formschlüssige Kraftübertragung von der Kapillare über das Einsatzelement auf das Dichtelement zu erreichen. Das Einsatzelement weist dabei einen konzentrisch zur Kapillarenachse verlaufenden Innendurchmesser auf, der im Wesentlichen demjenigen des freien Strömungsquerschnitts der Kapillare entspricht. Damit wird der eigentliche Innendurchmesser der Kapillare wiederum bis zum vorderen Ende fortgebildet und eine Verengung des wirksamen Strömungsquerschnitts vermieden.
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Das erfindungsgemäße Einsatzelement (welches auch als Inlay bezeichnet werden könnte) stützt den ersten Dichtabschnitt gut gegen radiale Verformung nach innen ab, so dass eine ungewollte Verformung des ersten Dichtabschnitts nicht möglich ist. Zu diesem Zweck kann das Einsatzelement beispielsweise aus Edelstahl, Titan oder einem titanhaltigen Werkstoff gebildet sein, um den besonderen Anforderungen an die Festigkeit und chemische Beständigkeit im Bereich der Hochleistungsflüssigkeitschromatographie gerecht zu werden.
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Nach einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung ist der erste Dichtabschnitt als Hohlzylinder geformt, der konzentrisch zur Kapillarenachse in die Kapillare hineinragt. Der erste Dichtabschnitt kann dabei mit seiner äußeren Mantelfläche an einer dazu komplementär geformten Innenfläche der Kapillare anliegen, wodurch das Dichtelement in seiner Lage gut stabilisiert wird. Die zylinderförmige Kontaktfläche zwischen erstem Dichtabschnitt und der Kapillare eignet sich ferner auch gut zur Übertragung der Druckkraft von der Kapillare auf das Dichtelement in Form einer Schubspannung entlang dieser Fläche.
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Wie vorstehend ausgeführt sieht eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung vor, dass das Dichtelement im nicht verbunden Zustand mit seinem zweiten Dichtabschnitt über das vorderseitige Ende der Kapillare hinausragt (mit „vorderseitig” bzw. „vorne” sei im Folgenden eine der Buchseneinheit zugewandte bzw. am freien Ende der Kapillare oder des Dichtelements liegende Position zu verstehen). Der zweite Dichtabschnitt kann sich dabei unter Druckbeaufschlagung vorteilhaft so verformen, dass das stirnseitige Ende der Kapillare möglichst nahe an den Grund der Pilotbohrung heranreicht und das Totvolumen im Bereich des vorderen kapillaren Endes und der gegenüberliegenden Buchsenkapillare möglichst gering ist. Durch geeignete Formgebung des über die Kapillare nach vorne hinausragenden zweiten Dichtabschnitt kann dabei sichergestellt werden, dass dessen Verformung unter Druckbeaufschlagung vorzugsweise in axiale oder radial nach außen gewandte Richtung erfolgt. Eine Verformung radial nach innen könnte den freien Strömungsquerschnitt der Kapillare beeinflussen und ist zu vermeiden.
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Der Bereich der Kapillare, in den der erste Dichtabschnitt hineinragt, kann erfindungsgemäß unterschiedlich geformt sein. Denkbar ist einerseits ein konzentrisch zur Kapillarenachse innerhalb der Wandung der Kapillare gebildeter Ringraum, welchen der erste Dichtabschnitt mit einer zum Ringraum komplementären Hohlzylinderform ausfüllen kann. Diese Variante gewährleistet einen besonders sicheren Halt des Dichtelements durch Kontakt mit der Kapillare sowohl auf der Innen- als auch auf der Außenseite des ersten Dichtabschnitts.
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Eine weitere, besonders zweckmäßige Variante sieht dagegen vor, den ersten Dichtabschnitt in einer zur Kapillarenachse konzentrischen zylinderförmigen Ausnehmung anzuordnen. Um den freien Strömungsquerschnitt der Kapillare nicht zu behindern, kann es sich dabei insbesondere um eine den Strömungsquerschnitt im vorderen Kapillarenende erweiternde Bohrung handeln, wobei der erste Dichtabschnitt das sich dadurch ergebende zusätzliche Kapillarenvolumen mit seiner im Querschnitt ringförmigen Gestalt so ausfüllt, dass es den ursprünglichen Strömungsquerschnitt der Kapillare im Wesentlichen unverändert bis zum vorderen (zweiten) Abschnitt des Dichtelements fortsetzt. Eine solche, die Kapillare erweiternde Bohrung ist leicht anzufertigen und lässt sich ohne Weiteres genau auf den Außendurchmesser des einzusetzenden ersten Dichtabschnitts abstimmen.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Steckereinheit sieht vor, dass die gesamte Kapillare innen mit einer Auskleidung, insbesondere aus einem Kunststoffmaterial, ausgekleidet ist. Die Kunststoffauskleidung kann ausgebildet werden als innere Beschichtung der Kapillare oder als separat in die Kapillare einzuführendes röhrenförmiges Element. Bei einer solchen, an sich bekannten Kapillare und der zugehörigen erfindungsgemäßen Steckereinheit kommt die hindurchgeleitete Flüssigkeit an keiner Stelle mit Metall in Kontakt, was für bestimmte HPLC-Anwendungen vorteilhaft ist. Eine solche ausgekleidete Kapillare ist nach innen hin metallfrei und kann, im Unterschied z. B. zu Kunststoffkapillaren, hohen Drücken standhalten, da die äußere Kapillare als Stützkorsett wirkt und die Festigkeit der Kapillare insgesamt erhöht.
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Der erste Dichtabschnitt kann nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung als Teil der Kunststoffauskleidung ausgebildet bzw. einstückig mit dieser verbunden sein.
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In diesem Fall ragt der erste Dichtabschnitt stirnseitig in die Kapillare hinein und erstreckt sich in Röhrenform über die gesamte Kapillarenlänge innerhalb derselben. Der aus der Kapillare vorne herausragende zweite Dichtabschnitt kann dabei durch thermische Umformung eines freien Endes der in die Kapillare eingeschobenen Kunststoffauskleidung ausgebildet werden, wodurch eine feste Verbindung zwischen zweitem Dichtabschnitt außerhalb der Kapillare und erstem Dichtabschnitt innerhalb der Kapillare, der zugleich Kunststoffauskleidung ist, hergestellt wird. Das Dichtelement ist dabei zumindest an seinem zweiten Dichtabschnitt ausreichend plastisch verformbar, um die gewünschte Dichtwirkung unter Druckbeaufschlagung erzielen zu können.
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Eine alternative Ausführungsform sieht eine Kunststoffauskleidung der Kapillare auch für die Anordnung vor, bei der der erste Dichtabschnitt auf seiner Innenseite durch das vorbeschriebene Einsatzelement radial gestützt bzw. axial beaufschlagbar ist, so dass die Stützröhre im vorderen Kapillarenbereich das Einsatzelement und axial daran nach hinten anschließend die Kapillare innenseitig auskleidet bzw. stabilisiert. Von innen nach außen grenzt dann an den freien Strömungsquerschnitt der Kapillare die Stützröhre, diese an das Einsatzelement, das Einsatzelement an den ersten Dichtabschnitt und dieser an die Innenwandung der erweiterten Kapillare, welche die vorgenannten Elemente umschließt. Eine solche Anordnung gestattet auf engem Raum die Ausbildung einer dichten, hochfesten und chemisch beständigen Kapillarenverbindung bei gleichzeitiger axialer Druckbeaufschlagung bzw. radialer Stabilisierung des ersten Dichtabschnitts.
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Der stirnseitig aus der Kapillare herausragende zweite Dichtabschnitt kann im nicht verbundenen oder auch im verbundenen Zustand von Steckereinheit und Buchseneinheit in radialer Richtung beispielsweise bis auf den Außendurchmesser der Kapillare bzw. den Innendurchmesser der Pilotbohrung erweitert sein. Dadurch wird sichergestellt, dass die Kapillare mit eingesetztem Dichtelement bereits beim manuellen Einschieben in die Pilotbohrung deren Volumen möglichst vollständig ausfüllt und ein Totvolumen vermeidet. So führt die anschließende Druckbeaufschlagung des zweiten Dichtabschnitts unmittelbar dazu, dass dieser sich an die stirnseitig bzw. radial angrenzende Wandung der Pilotbohrung anlegt bzw. anpresst, ohne dabei zunächst Toträume ausfüllen zu müssen. Durch einen vergleichsweise geringen axialen Verschiebeweg der Kapillare mit vorne eingestecktem Dichtelement lässt sich so eine besonders gute Dichtwirkung erzielen.
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Die an den zweiten Dichtabschnitt vorzugsweise unmittelbar angrenzende Stirnseite der Kapillare kann sich beispielsweise rechtwinklig zur kapillaren Achse radial nach außen erstrecken. Um ein bevorzugtes Verformungsverhalten des zweiten Dichtabschnitts zu erzielen kann die Stirnseite der Kapillare jedoch auch einem Profil folgen, welches durch eine zur Kapillarenachse geneigte Gerade oder eine geschwungene Kurve gebildet wird. Dadurch kann die Verformung des zweiten Dichtabschnitts unter Druckbeaufschlagung gelenkt werden, um beispielsweise eine bevorzugt radial nach außen gerichtete Materialbewegung zu erzielen. Grundsätzlich ist jede Profilform denkbar, die ein besonders effektiv abdichtendes Anschmiegeverhalten des Dichtelements an die Pilotbohrung oder auch an die Stirnfläche der Kapillare begünstigt.
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Um eine axiale Druckkraft auf das Dichtelement bzw. dessen zweiten Dichtabschnitt besonders gut aufbringen zu können, sieht eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Steckereinheit vor, dass ein vorzugsweise hohlzylindrisches Druckstück vorgesehen ist, welches die Kapillare von außen umgreift. Das Druckstück ist mit der Kapillare so fest verbunden, dass eine axiale Druckkraft vom Druckstück auf die Kapillare übertragbar ist, ohne dass eine Relativbewegung zwischen Druckstück und Kapillare erfolgt. Zweckmäßigerweise ist die rückwärtige Stirnseite des Druckstücks so ausgebildet, dass sie im verbundenen Zustand von Steckereinheit und Buchseneinheit vom Steckergehäuse mit einer axialen Druckkraft beaufschlagbar ist. Durch diese Beaufschlagung wird das Druckstück mitsamt der Kapillare und dem darin einsitzenden Dichtelement axial nach vorne in Richtung auf die Buchseneinheit geschoben, wodurch der zweite Dichtabschnitt eine plastische oder elastische, jedenfalls abdichtende Verformung erfährt.
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Die feste Verbindung zwischen Druckstück und Kapillare kann durch Reibschluss, Formschluss oder auch einer Kombination von beidem erzielt werden. Auch stoffschlüssige Verbindungsarten, wie z. B. schweißen, löten oder kleben, sind verwendbar. Insbesondere durch Krimpen lässt sich das Druckstück relativ einfach mit der Kapillare verbinden.
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Eine vorteilhafte Weiterentwicklung sieht dabei vor, dass sich das Druckstück und der in die Kapillare hineinragende erste Dichtabschnitt in axialer Richtung wenigstens teilweise überschneiden bzw. überlagern. In diesem Fall übergreift das Druckstück die Kapillare und wenigstens zum Teil auch den darin angeordneten ersten Dichtabschnitt. Durch eine Krimpverbindung wird in diesem gemeinsamen Überschneidungsbereich dann nicht nur das Druckstück mit der Kapillare verbunden, sondern diese – je nach Art und Festigkeit der Krimpverbindung – auch mit dem innenseitig angeordneten ersten Dichtabschnitt. Eine besonders stabile Verbindung ergibt sich dabei dann, wenn der erste Dichtabschnitt auf seiner Innenseite wiederum durch das vorbeschriebene Einsatzelement radial abgestützt wird.
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Nachfolgend sollen einige Ausführungsformen der Erfindung anhand von Figuren näher erläutert werden. Dabei zeigen
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1 eine erste Ausführungsform einer Steckverbindung mit Einsatzelement,
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2 eine Detailansicht der Ausführung gemäß 1,
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3 eine abgewandelte Variante mit innerer Kunststoffauskleidung,
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4 ein einstückig mit der Kunststoffauskleidung ausgebildetes Dichtelement,
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5 eine einfache Variante mit Dichtelement ohne Einsatzelement,
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6 eine Variante mit Dichtelement und Einsatzelement in einer nicht erweiterten Kapillare, und
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7 eine Variante mit ringförmiger Aufnahme innerhalb der Wandung der Kapillare.
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Die in 1 zu sehende Anordnung zeigt eine Steckereinheit 1, welche mit einer Buchseneinheit 9 verbindbar sein soll. Die Steckereinheit 1 umfasst dabei ein Steckergehäuse 4, welches zentrisch eine axiale Bohrung 5 aufweist. Das Steckergehäuse 4 ist mit einem Außengewinde 18 versehen, welches in ein dazu passendes Innengewinde 17 der Buchseneinheit 9 einschraubbar ist, wodurch sich die Steckereinheit 1 um ein Maß nach vorne (in 1 nach links) auf die Buchseneinheit 9 zu bewegt.
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In der Bohrung 5 des Steckergehäuses 4 ist eine Kapillare 2 angeordnet, welche das Steckergehäuse 4 entlang einer Kapillarenachse 6 vollständig durchragt. Mit ihrem vorderen bzw. stirnseitigen Ende liegt die Kapillare 2 einer Buchsenkapillare 3 innerhalb der Buchseneinheit 9 im Wesentlichen fluchtend gegenüber. Ein Druckstück 14, welches über eine rückseitige Anschlagsfläche 16 von dem Steckergehäuse 4 in axialer Richtung mit einer Druckkraft beaufschlagbar ist, umgibt die Kapillare 2 und ist mit dieser fest verbunden. Durch Einschrauben des Steckergehäuses 4 in das Innengewinde 17 wird das Druckstück 14 und mit ihm die damit fest verbundene Kapillare 2 nach vorne bewegt, um die Kapillare 2 in einer abgedichteten Steckverbindung mit der Buchsenkapillare 3 zu verbinden.
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Die in 2 dargestellte Detailansicht zeigt den vorderen Abschnitt der Kapillare 2, der bis in eine Pilotbohrung 8 ragt, welche im Wesentlichen konzentrisch zur Buchsenkapillare 3 in die Buchseneinheit 9 eingebracht ist. Während der Außendurchmesser der Kapillare 2 dem Innendurchmesser der Pilotbohrung 8 im Wesentlichen entspricht, ist der Innendurchmesser der Kapillare 2 durch eine stirnseitig und konzentrisch zur Kapillarenachse 6 eingebrachte Bohrung vergrößert. Ein aus einem ersten Dichtabschnitt 7a und einem zweiten Dichtabschnitt 7b bestehendes Dichtelement 7 ragt mit dem ersten, hohlzylinderförmigen Dichtabschnitt 7a in diese erweiterte Ausnehmung der Kapillare 2 stirnseitig hinein. Ein innerhalb des ersten Dichtabschnitts 7a angeordnetes Einsatzelement 13 stützt den ersten Dichtabschnitt 7a dabei mit einem vorderen Abschnitt 13a radial nach innen ab. In 2 entspricht der Innendurchmesser des Einsatzelements 13 im Wesentlichen dem ursprünglichen Innendurchmesser der Kapillare 2, wie er im rechten Teil der 2 zu erkennen ist. Dies hat den Vorteil, dass der Strömungsquerschnitt in der Steckereinheit nicht eingeengt wird, ist jedoch nicht unbedingt erforderlich. Beispielsweise kann es bei Kapillaren mit sehr großem Innendurchmesser erforderlich sein, dass das Einsatzelement einen geringeren Innendurchmesser aufweist als die Kapillare. Ebenso kann aus fertigungstechnischen Gründen eine Vereinheitlichung der Einsatzelemente-Innendurchmesser zweckmäßig sein.
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Mit einer flanschartigen Erweiterung 13b, welche sich am hinteren Ende des ersten Dichtabschnitts 7a radial nach außen bis auf den erweiterten Innendurchmesser der Kapillare 2 erstreckt, hintergreift das Einsatzelement 13 den ersten Dichtabschnitt 7a, wodurch die flanschartige Erweiterung 13b zum einen mit der Kapillare 2 formschlüssig verbunden ist und somit durch die Kapillare 2 mit einer Druckkraft beaufschlagt werden kann, zum anderen ihrerseits die Druckkraft formschlüssig an den Dichtabschnitt 7a in axialer Richtung weiterleiten kann.
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Der an den ersten Dichtabschnitt 7a angrenzende zweite Dichtabschnitt 7b ragt in axialer Richtung über die Stirnseite der Kapillare 2 hinaus, wobei sich sein Durchmesser bis auf annähernd den Innendurchmesser der Pilotbohrung 8 erweitert. Auch das Einsatzelement 13 ragt innerhalb des Dichtelements 7 axial über die Stirnseite der Kapillare 2 hinaus, allerdings nicht so weit wie der zweite Dichtabschnitt 7b.
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Das Druckstück 14 umgreift entlang eines axialen Bereichs 15 die Kapillare 2 auf ihrer äußeren Mantelfläche und ist – wie beschrieben – mit der Kapillare 2 fest verbunden. Das über seinen rückwärtigen Anschlag 16 am Steckergehäuse 4 anliegende Druckstück 14 schiebt während einer Einschraubbewegung des Steckergehäuses 4 in die Buchseneinheit 9 die Kapillare 2 mit dem darin eingesetzten Dichtelement 7 und dem Einsatzelement 13 in die Pilotbohrung 8 der Buchseneinheit 9. Der zweite Dichtabschnitt 7b, der sich in axialer Richtung weiter nach vorne (in 2 nach links) erstreckt, als die Kapillare 2 und das Einsatzelement 13, wird bei dieser Vorwärtsbewegung mittels der Kapillare 2 und/oder des Einsatzelements 13 gegen den Grund der Pilotbohrung 8 gedrückt und zu einer plastischen und/oder elastischen Verformung gezwungen. Dabei drückt sich der vordere Dichtabschnitt 7b eng an die ihn umgebenden Komponenten bzw. Grenzflächen an, so dass der Austritt eines durch die Kapillare 2 zu fördernden Mediums auf die Außenseite der Kapillare 2 unterbunden wird.
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Da die Kapillare 2 dabei in die Pilotbohrung 8 hineinragt, wird sie auf ihrer Außenseite durch die Bohrungswandung radial gestützt und dadurch besonders stabil gehalten.
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Im Rahmen der Vorwärtsbewegung nähert sich die Stirnseite der Kapillare 2 und des Einsatzelementes 13 dem Grund der Pilotbohrung 8 gegebenenfalls noch etwas an, ohne jedoch dort anzuschlagen. Der axiale Überstand des Einsatzelements kann außerdem so gewählt werden, dass es eine Ausdehnung des zweiten Dichtabschnitts radial nach innen blockiert, um den inneren Durchmesser der Kapillarenverbindung nicht zuzusetzen.
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3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform gemäß 2. Dabei entfällt das Einsatzelement 13, so dass sich der erste Dichtabschnitt 7a in radialer Richtung nach innen bis auf den ursprünglichen Durchmesser der Kapillare 2 erstreckt. Allerdings sind erster und zweiter Dichtabschnitt 7a, 7b ebenso wie die gesamte Kapillare 2 innenseitig mit einer Kunststoffauskleidung 11 versehen, welche die Kapillare 2 gegen unmittelbaren Medienkontakt schützt. Die Druckkraft zur Betätigung des zweiten Dichtabschnitts 7b wird in diesem Fall von der Kapillare 2 unmittelbar auf den ersten Dichtabschnitt 7a übertragen. Dies kann an dem rückwärtigen Ende des ersten Dichtabschnitts 7a über Formschluss mit dem Absatz der Kapillare 2 geschehen, der durch die Erweiterung des vordersten Kapillarenabschnitts entstanden ist. Auch eine Übertragung der Druckkraft als Schubspannung über die zylindrische Kontaktfläche zwischen Kapillare 2 und erstem Dichtabschnitt 7a ist möglich.
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Die vergrößerte Ansicht gemäß 4 zeigt eine weitere Variante, bei der das Dichtelement 7 einstückig mit der inneren Kunststoffauskleidung 11 der Kapillare ausgebildet ist, so dass der zweite Dichtabschnitt 7b übergeht in den sich in die Kapillare 2 stirnseitig hineinerstreckenden ersten Dichtabschnitt 7a, der zugleich die Kunststoffauskleidung 11 darstellt. Bei dieser Ausführungsform ist eine im vorderen Abschnitt der Kapillare erweiternde Bohrung oder Ausnehmung nicht nötig. Stattdessen wird die dem zweiten Dichtabschnitt 7 zuzuleitende Druckkraft als Schubspannung über die zylindrische Berührungsfläche zwischen der Kapillare 2 und dem ersten Dichtabschnitt 7a und über Formschluss im Bereich der radialen Erweiterung des zweiten Dichtabschnitts 7b angrenzend an die Stirnseite der Kapillare 2 übertragen.
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In 5 ist eine gegenüber 1 vereinfachte Variante dargestellt. Auch hier ist die Kapillare 2 an ihrem vorderen Ende durch eine Bohrung erweitert worden, in die der erste Dichtabschnitt 7a des Dichtelements 7 eingesetzt wurde. Der Innendurchmesser des Dichtelements entspricht dabei im Wesentlichen dem freien Durchmesser der Kapillare hinter der erweiternden Bohrung. Auf ein Einsatzelement wurde hier verzichtet. Das von außen mit der Kapillare 2 befestigte Druckstück 14 ermöglicht auch hier wieder die Beaufschlagung der Kapillare 2 mit einer axialen Druckkraft, die im vorderen Bereich der Kapillare 2 auf das Dichtelement und insbesondere auf dessen zweiten Abschnitt 7b einwirkt.
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Die Variante gemäß 6 zeigt den Fall, in dem die Kapillare 2 an ihrem vorderen Ende ohne Erweiterung des Innendurchmessers ausgebildet ist. Entsprechend ragt der erste Dichtabschnitt 7a entlang der unbearbeiteten Innenwandung der Kapillare in diesen hinein. Ähnlich zur Ausführung gemäß 1 und 2 wird auch hier der erste Dichtabschnitt 7a des Dichtelements wieder durch ein Einsatzelement 13 von innen stabilisiert, wobei das Einsatzelement 13 sich mit einem ersten Abschnitt 13a längs der Innenwandung des ersten Dichtabschnitts 7a erstreckt und diesen mit einer flanschartigen Erweiterung 13b am rückwärtigen Ende formschlüssig stützt. Dichtelement 7 und Einsatzelement 13 verengen den freien Querschnitt der Kapillare 2.
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Das innenliegende Einsatzelement 13 gestattet eine besonders gute Krimpverbindung zwischen dem Druckstück 14 und der Kapillare 2, wozu sich das Einsatzelement 13 in axialer Richtung wenigstens teilweise in den Bereich erstreckt, der auf der Außenseite der Kapillare 2 vom Druckstück 14 überlagert wird.
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7 schließlich zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der der erste Dichtabschnitt in eine ringförmig in die Stirnseite der Kapillare 2 eingebrachte Ausnehmung hineinragt. Dabei wird der erste Dichtabschnitt 7a sowohl auf seiner Innenseite als auch auf seiner Außenseite in radialer Richtung durch die Kapillare 2 gestützt, wobei der an den ersten Dichtabschnitt 7a anschließende zweite Dichtabschnitt 7b in axialer Richtung über die Kapillare 2 hinausragt und sich dabei radial bis auf den Außendurchmesser der in 5 nicht näher bezeichneten Pilotbohrung 8 erweitert. Zwar ist die Herstellung der ringraumartigen Ausnehmung in der Stirnseite der Kapillare 2 technisch aufwändiger, allerdings lässt sich das Dichtelement 7 ohne zusätzliche Hilfsmittel gut aufnehmen und führen und unter Formschluss gegen den Grund und die Seitenwand der Pilotbohrung 8 drücken, um die gewünschte Abdichtung zu erzielen.
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Selbstverständlich lassen sich einzelne Merkmale von Ausführungsformen, die vorstehend nur in Verbindung mit der jeweiligen Figur erläutert sind, auch zu weiteren, nicht dargestellten Ausführungsformen kombinieren, wobei diese weiteren Ausführungsformen ebenfalls die genannten Vorteile aufweisen.