平面集管和过程分析仪器的制造方法
【专利摘要】一种平面集管(20)，包括具有从中穿过的多个孔的大致平面的第一层(24)。第二层(26)具有从中穿过的多个孔。通道层(32，34)在其内部限定了多个通道(30)并且被插入第一层(24)和第二层(26)之间。至少一个通道(30)在与所述平面集管(20)的平面平行的方向上延伸并且将第一层(24)的孔连接至第二层(26)的孔。本实用新型还公开了一种过程分析仪器。
【专利说明】平面集管和过程分析仪器

【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种平面集管和过程分析仪器。

【背景技术】
[0002] 分析仪器被用于多种应用中以定量地和/或定性地分析所关注的样本。分析仪器 通常可以在实验室中找到并且通常在过程操作中被采用。本文所述的分析仪器指的是能够 接收所关心的样本并提供关于该样本的某些方面的指示的任意装置、系统或设备。分析仪 器包括而不限于过程气体分析仪、NO/NOx分析仪、碳氢化合物分析仪、连续排放监控系统和 过程气相色谱仪。
[0003] 各种分析仪器采用调节径流和各种流径以提供关于过程中的各种化学成分的分 析或分析内容。分析仪器通常通过使用一个或多个径流装置起作用，所述径流装置能够通 过该装置引起流、中断流、以及产生逆流。这些各种的径流功能通常是由一个或多个流量阀 和/或泵的组合提供的。为了有效地发挥作用，分析仪器将通常包括多个样本流径。在使 用气相色谱仪的情况下，有众多流径用于引导样本流和载气进入该分析仪器；使样本的受 控制的量流动穿过吸附剂柱；使所述流反向以从所述吸附剂柱洗提所述样本；以及在所述 流动的流中检测各种成分。已知这种分析仪器的精确的特性，非常重要的是流径本身不能 参与或影响样本/载气流的化学组成。
[0004] 通常，已知过程分析仪器的各种气动的或流体的连接需要各种离散的管道连接。 同时各种改进已经被提供以包括用于替代所述管道的由分层的通道和垫圈或密封件构成 的紧凑的平面集管结构，这种努力更加类似于或模仿汽车传动系统阀体和机床应用的平面 集管。例如，参见授权给Craig的美国专利No. 5, 567, 868。不幸地，这种努力至今也没有获 得一种成本足够低或者具有足够化学惰性的集管。
[0005] 随着过程分析装置的技术的发展，越来越需要提供一种低成本、高性能的装置。 实用新型内容
[0006] 根据本发明的一个实施例，提供了一种平面集管，包括：具有从中穿过的多个孔的 为平面的第一层；第二层，所述第二层具有从中穿过的多个孔；通道层，所述通道层在其内 部限定了多个通道并且被插入第一层和第二层之间，其中至少一个通道在与所述平面集管 的平面平行的方向上延伸并且将第一层的孔连接至第二层的孔，并且所述平面集管由聚酰 亚胺构造。
[0007] 根据本发明的一个示例性实施例，
[0008] 根据本发明的一个示例性实施例，第一层、第二层和通道层被层压在一起。
[0009] 根据本发明的一个示例性实施例，整个平面集管由无粘结剂的聚酰亚胺构造。 [0010] 根据本发明的一个示例性实施例，平面集管还包括：具有从中穿过的多个孔的第 三层；第二通道层，该第二通道层限定了多个第二通道并且插入所述第二层和第三层之间， 其中，所述多个第二通道中的至少一个通道在与所述平面集管的平面平行的方向上延伸并 将第二层的孔连接至第三层的孔。
[0011] 根据本发明的一个示例性实施例，第一层、第二层、第三层和两个通道层都被层压 在一起。
[0012] 根据本发明的一个示例性实施例，平面集管还包括：具有从中穿过的多个孔的第 四层；第三通道层，该第三通道层限定了多个第三通道并且插入所述第三层和第四层之间， 其中，所述多个第三通道中的至少一个通道在与所述平面集管的平面平行的方向上延伸并 将第三层的孔连接至第四层的孔。
[0013] 根据本发明的一个示例性实施例，平面集管还包括绕所述第一层的至少一个孔设 置的弹性体环。
[0014] 根据本发明的一个示例性实施例，所述弹性体环被丝网印刷到所述第一层上。
[0015] 根据本发明的一个示例性实施例，平面集管还包括在所述第一层和第二层之间提 供电连接的至少一个导线。
[0016] 根据本发明的一个示例性实施例，平面集管还包括延伸穿过所述第一层、第二层 和通道层的多个对准特征。
[0017] 根据本发明的一个示例性实施例，所述对准特征是孔洞。
[0018] 根据本发明的一个示例性实施例，至少一个对准特征是设置在所述平面集管的外 周处的凹口。
[0019] 根据本发明的另一个实施例，提供了一种过程分析仪器，包括：用于接收样本气体 的样本入口；至少一个排放口；第一板，其具有安装到该第一板的多个流体流装置并具有 从中穿过的多个孔；第二板，其具有从中穿过的多个孔；和设置在第一板和第二板之间的 聚酰亚胺集管，该聚酰亚胺集管具有位于其中的、从第一板中的孔延伸至第二板中的孔的 至少一个通道。
[0020] 根据本发明的一个示例性实施例，所述过程分析仪器是过程气相色谱仪。
[0021] 根据本发明的一个示例性实施例，所述聚酰亚胺集管包括：具有从中穿过的多个 孔的第一层，所述第一层的孔与所述第一板中的相应的孔对准并密封到所述第一板中的相 应的孔；具有从中穿过的多个孔的第二层，所述第二层的孔与所述第二板中的相应的孔对 准并密封到所述第二板中的相应的孔；和在其内限定了多个通道的通道层，所述通道层被 插入第一层和第二层之间，其中，至少一个通道在与所述聚酰亚胺集管的平面平行的方向 上延伸并且将第一层的孔连接至第二层的孔。这种功能性可通过向集管提供额外的层而扩 展，以实现所需的复杂度。

【专利附图】

【附图说明】
[0022] 图1是根据本实用新型的实施例的过程气相色谱仪的一部分的示意性透视图。
[0023] 图2是根据本实用新型的实施例的密封的聚酰亚胺集管的分解透视图。
[0024] 图3是根据本实用新型的另一实施例的过程气相色谱仪的一部分的示意性正视 图。
[0025] 图4A和4B分别是根据本实用新型的实施例的密封的聚酰亚胺集管的底部和顶部 平面视图。
[0026] 图5是过程气相色谱仪的示意性系统视图，本实用新型的实施例与该系统一起使 用时尤其有用。

【具体实施方式】
[0027] 本实用新型的实施例大致通过提供一种全聚酰亚胺的、粘合的、多层平面集管组 件对现有集管做出了改进。一种合适的、可购买到的聚酰亚胺是美国特拉华州威尔明顿市 的Ε· I. du Pont de Nemours and Company出售的KaptoiU.·。聚醜亚胺对于绝大部分色谱 仪应用来说都具有足够的惰性；具有大尺寸稳定性；并且极其易于加工。聚酰亚胺通常用 在很多电路板和柔性电路中。因此，聚酰亚胺的加工极其结实并且高效并且更容易能够提 供非常低成本的装置。
[0028] 图1是根据本实用新型的实施例的过程气相色谱仪10的一部分的示意性透视图。 图1描绘了过程气相色谱仪10的上部的热控部分的一部分。特别地，色谱仪10包括优选 地由诸如铝或不锈钢等金属制成的底板12。多个多口流量阀14被安装在底板12上，以及 多个多口分配接头16。此外，诸如热导检测器18的一个或多个用于过程气相色谱仪10的 适当的检测器也被安装在底板12上或附近。一个或多个色谱仪分离柱（图1中未示出） 被典型地安装在环境密封盖内的各种径流装置附近。用于在特定的阀致动配置过程中切断 样本气体流的样本关闭阀可以安装在其他径流装置附近。在所述盖内，一个或多个加热器 保持整个组件的精确的热控制。例如，位于过程气相色谱仪，这个组件通常被维持在约80°C 上/下零点几摄氏度的范围内。
[0029] 底板12包括位于其下表面19中的多个孔。所述多个孔穿过底板12并与所述各 种多口流量阀14和多口分配接头16联通。底板12的下表面19中的孔与密封的聚酰亚胺 集管20的第一层21中的孔对准。密封的聚酰亚胺集管20被夹在底板12和隔热板22之 间。此外，密封的聚酰亚胺集管20包括在第一层21和相对的第二层23中的多个孔，这些孔 与底板12和隔热板22中的相应的孔对准，以便有效地流体联通。一个或多个中间通道层 被设置在密封的聚酰亚胺集管20内，以提供在其内部的任意流径选择。因而，实际上穿过 隔热板22的孔的任意布置可以被选择和/或被设定，以有效地与底板12的下表面19中的 孔相配合。这确保了隔热板22和底板12所需的加工仅为简单地钻出穿过所述板的直孔。 复杂流径的提供是在密封的聚酰亚胺集管20的一个或多个通道层内专门地实现的。
[0030] 图2是根据本实用新型的实施例的密封的聚酰亚胺集管的分解透视图。在图2所 示的实施例中，总共5个层彼此粘合。集管20由两个包括多个从中穿过的孔28的外层24、 26组成。外层24、26的孔与通道层32、34中的各种通道30联通。通道层32、34通过中间 层36彼此隔离，中间层36经由多个从中穿过的孔38在通道层32、34之间提供了流体联 通。可根据任一适当的聚酰亚胺处理技术（例如钻、冲压、选路（routing)、冲切、等离子蚀 刻等）提供或形成所述各种孔和/或通道。所形成的结构可高度地重复并且尺寸稳定。此 夕卜，两个或多个配准特征（诸如凹口 40)被包括，从而所有的各种孔在将各种层24, 26, 32， 34,和36层压或粘合在一起的过程中被仔细地彼此对准。此外，所述配准特征还有助于确 保在组装过程中使集管20与底板12和隔热板22中的各种孔仔细地对准。
[0031] 图3是根据本实用新型的另一实施例的过程气相色谱仪的一部分的示意正视图。 过程气相色谱仪50包括限定在帽54和板56内的温控炉52。多个柱58被缠绕在炉52内， 从而在其内流动的气体暴露于炉52的温度。炉52内的各种柱58经由聚酰亚胺集管62连 接到多个多口选择阀60。聚酰亚胺集管62的使用允许穿过板66中的孔64流体地连接板 56中的通孔68,即使孔64和68不轴向地彼此对准。如图3所示，诸如0形环的密封件70 被优选地绕孔64设置在板66和聚酰亚胺集管62之间，以形成气密连接。类似地，诸如0形 环的密封件72被优选地设置在板56和聚酰亚胺集管64之间，以形成第二气密连接。通过 这种方式，可以在板66和板56之间形成任意数目的任意的气密连接，以提供一种紧凑的、 低成本的结构。密封件70, 72可以具有设置在它们相应的板中的环孔或槽中的弹性0形环 的形式。此外，或可替换地，这种密封件可通过任意适当的形式（例如，丝网印刷）直接设 置在聚酰亚胺集管上。此外，尽管至此为止的实施例仅描述了可穿过所述聚酰亚胺集管做 出各种流体连接，但其清楚地可以预期也可以通过使用已知的打印和/或柔性电路设计和 制造工艺在其中做出任意适当数目的电连接。
[0032] 图4A和4B分别是根据本实用新型的实施例的密封的聚酰亚胺集管的底板和顶板 的平面视图。在所示的实施例中，聚酰亚胺集管62的底表面包括与相应的多口选择阀60 的口对准的三组孔（每个孔被编号为1-6)。此外，还提供了用于载气入口（76)、载体出口 (78)、样本入口（80)和样本出口（82)的流体连接。图4B是集管62的顶部平面视图，其 中，顶层（包括与各种柱接头对准的孔）被移除以显示通道选择。如图所示，多个不重叠的 通道84从底表面74 (如图4A所示）中的孔延伸而出，以连接用于各种柱和检测器的位置。 各种通道84大体上沿集管的平面延伸。
[0033] 图5是过程气相色谱仪的示意性的系统图，本实用新型的实施例与该系统一起使 用时特别有用。过程气相色谱仪100包括载气入口 102、样本入口 104、样本排放出口 106和 用于连接到载气、样本气体的适当的源和适当的处理路线的测量排放出口 108。载气被提供 至流面板110,在那里，它在进入分析炉116之前穿过调节器112和干燥器114,并流过载气 预热器线圈118。样本气体经由样本入口 104进入色谱仪100并流过分析炉116内的样本 气体预热器线圈120。样本气体和载气最终都进入多个气动控制的多口选择阀60,以根据 已知的气相色谱分析技术使样本气体和/或载气选择性地流动穿过各种色谱柱122。每个 气动控制的多口选择阀60流体地连接到相应的螺线管124,螺线管124从控制器126接收 其控制信号。如图5所不，每个气动控制的多口选择阀60具有一对状态。在第一状态下， 每个阀60的流体连接如实线所示。在第二状态下的每个阀60的流体连接如虚线所示。控 制器126还可操作地连接到检测器128,检测器优选地为设置在分析炉116内的热导检测 器。因此，控制器126能够通过控制螺线管124的事实而完全地控制穿过气相色谱仪100 的流。此外，控制器126能够确定检测器128对于从中流过的气体的响应。通过这种方式， 控制器126能够选择性地引导样本进入色谱柱一段选定的时间量；使穿过色谱柱的气流反 向；并引导反向流穿过检测器以观察和/或记录检测器随时间的响应。这提供了关于所述 样本的色谱分析。
[0034] 本领域的技术人员将会认识到参照图5描绘的实施例包括不少于4个不同的柱， 这些柱被可操作地连接在三个气动控制的多口选择阀之间。因此，就流体学方面而言，其结 构是相当复杂的。采用传统的离散的管道和相关的连接将导致这些管道和连接的无法管理 的混乱。此外，仅仅连接各种管道所花费的组装时间就将是相当长的。此外，随着接头被拧 紧，每个单独的管道连接可能会承受组装者所施加的扭矩的变化。此外，组装者在组装过程 中用于引导管道所需的弯曲或改造可能导致对管道的损坏或至少会产生额外的变化性。然 而，采用根据本实用新型的实施例的聚酰亚胺集管允许整个组件被更容易地构造成紧凑的 形式，以生产极其可重复的连接。
[0035] 根据本实用新型的实施例的聚酰亚胺集管能够以任意适当的方式加以构造。构造 集管20或62的一种方法采用了聚酰亚胺薄膜（例如Kapton?)的多层粘合。基于聚酰 亚胺的无粘结剂粘合的产品包括由美国加利福尼亚州巴伦西亚市的Fralock公司制造的 杜邦的Cirlex?, http ://www. cirlex. com/。制造 Cirlex?片材产品的 Fralock 工艺被扩 展以构造多层集管。Cirlex?是一种全聚酰亚胺片材，其能够自粘合而无需使用任何粘结 齐[J。这是有利的，因为有些层压材料在温度超过在该层压材料中使用的粘合剂的玻璃转化 温度时可能会不可靠。此外，在集管必须不能发生与样本的任何化学反应的过程分析应用 中，粘结剂的使用可能引入不期望的变化。构造多层集管的第二种方法包括采用聚酰亚胺 印刷电路板片材，该片材被加工以提供各种流动凹槽。该片材随后使用传统的丝网印刷电 路板粘结剂层压。将一层或多层聚酰亚胺结合在一起的其他方法可依据本实用新型的实施 例来提供。此外，多层集管可以被直接结合到一个或多个金属的或聚合物的外层，以消除 对于位于金属外壳和集管之间的密封件的需求。此外，已知至少本实用新型的某些实施例 采用了在印刷电路板制造中更常见的处理技术，这些实施例可包括具有一个或多个弹性体 密封件，所述密封件被丝网印刷在集管组件的外表面上的孔附近，从而当组件被夹在隔热 层22和底板12之间时，不需要额外的0形环或其他弹性体密封结构。此外，尽管流体集管 被描绘成由聚酰亚胺材料制成，但包括印刷电路板材料（玻璃纤维环氧树脂等）、塑料和金 属在内的其他材料以及各种粘合技术都可以被采用，以实现根据本实用新型的实施例的集 管的构造。
[0036] 在印刷电路板工艺的情形中，根据本实用新型的实施例的集管的各种通道可以用 标准印刷电路板设计软件加以设计，其中，通道可以被设计，以取代电路迹线。这些工具包 括高级的特征，诸如阻抗匹配和/或高级的路由选择算法。这些技术可以被扩展成在集管 组件内提供具有相同长度或体积流程的通道。这样可以确保流过集管的样本气体、载气或 其他气体能够接触集管环境非常精确地彼此相同的时间量。
[0037] 如上所述，本实用新型的实施例可提供低成本、牢固的集管组件，其具有极好的尺 寸稳定性和化学惰性。此外，可以确信的是，采用根据本实用新型的实施例中阐述的密封的 聚酰亚胺集管可获得更高性能、更低成本的结构，其因此能够提高性能并降低采用该集管 的整个过程分析设备的成本。此外，已知聚酰亚胺的极好的可重复性和稳定性，可以确信的 是，当集管失效或需要维修时，一个新的集管可以简单地插入以替换有缺陷的或不起作用 的集管，而无需重新校准整个过程分析设备。
[0038] 尽管本实用新型是参照优选实施例加以描述的，但本领域的技术人员将会认识 至IJ，在不脱离本实用新型的实质和范围的情况下，可以在形式和细节方面做出变化。例如， 尽管本实用新型的实施例是依照过程气相色谱仪加以描述的，但可以清楚地预期的是，本 实用新型的实施例也可以应用在任何需要做出大量流体连接的情形中，以及供流体流穿过 的材料必须不能产生化学变化或以气体方式影响流体。
【权利要求】
1. 一种平面集管，其特征在于，包括： 具有从中穿过的多个孔的第一层，所述第一层为平面的； 具有从中穿过的多个孔的第二层； 在其内限定了多个通道的通道层，所述通道层插入第一层和第二层之间，其中，至少一 个通道在与所述平面集管的平面平行的方向上延伸并且将第一层的孔连接至第二层的孔； 并且 其中，所述平面集管由聚酰亚胺构造。
2. 根据权利要求1所述的平面集管，其特征在于，第一层、第二层和通道层被层压在一 起。
3. 根据权利要求2所述的平面集管，其特征在于，整个平面集管由无粘结剂的聚酰亚 胺构造。
4. 根据权利要求1所述的平面集管，其特征在于，还包括： 具有从中穿过的多个孔的第三层； 第二通道层，该第二通道层限定了多个第二通道并且插入所述第二层和第三层之间， 其中，所述多个第二通道中的至少一个通道在与所述平面集管的平面平行的方向上延伸并 将第二层的孔连接至第三层的孔。
5. 根据权利要求4所述的平面集管，其特征在于，第一层、第二层、第三层和两个通道 层都被层压在一起。
6. 根据权利要求5所述的平面集管，其特征在于，整个平面集管由无粘结剂的聚酰亚 胺构造。
7. 根据权利要求4所述的平面集管，其特征在于，还包括： 具有从中穿过的多个孔的第四层； 第三通道层，该第三通道层限定了多个第三通道并且插入所述第三层和第四层之间， 其中，所述多个第三通道中的至少一个通道在与所述平面集管的平面平行的方向上延伸并 将第三层的孔连接至第四层的孔。
8. 根据权利要求1所述的平面集管，其特征在于，还包括：绕所述第一层的至少一个孔 设置的弹性体环。
9. 根据权利要求8所述的平面集管，其特征在于，所述弹性体环被丝网印刷到所述第 一层上。
10. 根据权利要求1所述的平面集管，其特征在于，还包括在所述第一层和第二层之间 提供电连接的至少一个导线。
11. 根据权利要求1所述的平面集管，其特征在于，还包括延伸穿过所述第一层、第二 层和通道层的多个对准特征。
12. 根据权利要求11所述的平面集管，其特征在于，所述对准特征是孔洞。
13. 根据权利要求11所述的平面集管，其特征在于，至少一个对准特征是设置在所述 平面集管的外周处的凹口。
14. 一种过程分析仪器，其特征在于，包括： 用于接收样本气体的样本入口； 至少一个排放口； 第一板，其具有安装到该第一板的多个流体流装置并具有从中穿过的多个孔； 第二板，其具有从中穿过的多个孔；和 设置在第一板和第二板之间的聚酰亚胺集管，该聚酰亚胺集管具有位于其中的、从第 一板中的孔延伸至第二板中的孔的至少一个通道。
15. 根据权利要求14所述的过程分析仪器，其特征在于，所述过程分析仪器是过程气 相色谱仪。
16. 根据权利要求14所述的过程分析仪器，其特征在于，所述聚酰亚胺集管包括： 具有从中穿过的多个孔的第一层，所述第一层的孔与所述第一板中的相应的孔对准并 密封到所述第一板中的相应的孔； 具有从中穿过的多个孔的第二层，所述第二层的孔与所述第二板中的相应的孔对准并 密封到所述第二板中的相应的孔；和 在其内限定了多个通道的通道层，所述通道层被插入第一层和第二层之间，其中，至少 一个通道在与所述聚酰亚胺集管的平面平行的方向上延伸并且将第一层的孔连接至第二 层的孔。
17. 根据权利要求16所述的过程分析仪器，其特征在于，第一层、第二层和通道层被层 压在一起。
18. 根据权利要求17所述的过程分析仪器，其特征在于，整个聚酰亚胺集管由无粘结 剂的聚酰亚胺构造。
【文档编号】G01N30/88GK204065034SQ201420013580
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年1月9日 优先权日:2013年1月25日
【发明者】爱德华·J·贝利, 詹森·P·普拉蒂, 谢恩·黑尔, 格雷戈里·J·戈尔登 申请人:罗斯蒙特分析公司