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Mikroverschraubungen für Kapillarrohre und Mikroschläuche

Ob in der Industrie, im Technikum oder im Labor – überall spielen auch Kapillarrohre und Mikroschläuche eine wichtige Rolle. Dabei werden hohe Anforderungen an die schnell zu realisierenden Verbindungen und Anschlüsse durch Verschraubungen gestellt, weil sie unter allen Einsatzbedingungen stabil und sicher sein müssen.

Was sind Kapillarrohre und Mikroschläuche?

Kapillarrohre sind englumige Metallrohre zur Durchleitung von Flüssigkeiten oder Gasen, der Begriff „Kapillare“ ist ein allgemein gebräuchliches Synonym hierfür. Beide Bezeichnungen sind aber keine Normbegriffe, sondern lediglich praxisübliche Kennzeichnungen ohne konkrete Dimensionsangaben. In der Laborroutine werden dafür lichten Weiten, also Innendurchmesser, unterhalb von drei Millimetern veranschlagt. Für Kapillaren zur Verwendung im Laborbereich haben sich korrosionsfeste Materialien, wie Edelstahl 1.4401, ein kalt gut formbarer Cr-Ni-Mo-Stahl (V4A-Stahl), und Edelstahl 1.4301 (V2A-Stahl) bewährt, für den Einsatz in sensiblen biochemischen und genbiologischen Arbeitsbereichen biokompatibles Reinst-Titan.

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Mikroschläuche sind hingegen englumige Rohre aus Kunststoffen, die wie Kapillarrohre dimensioniert sind. Sie zeichnen sich durch höhere Biegsamkeit und Elastizität aus und sind daher für platzsparende Montagen und Verlegungen auf engstem Raum besonders geeignet. Dank der Verschiedenartigkeit der heutzutage verfügbaren Kunststoffe ist fast immer ein für den jeweiligen Einsatzzweck optimales Material verfügbar, sodass die Chemikalienfestigkeit für den Einsatz von Mikroschläuchen inzwischen kaum mehr eine entscheidende Rolle spielt. Auch ausreichende Hochdruckfestigkeit ist für viele Mikroschläuche gegeben.

Zudem vergrößern temperaturbeständige Kunststoffe die Einsatzmöglichkeiten von Mikroschläuchen beträchtlich, die von -240 °C bis über +300 °C reichen und mit der Temperaturbeständigkeit von Kapillarrohren aus Metallen vergleichbar sind. Namentlich Hochdruck-Kapillarschläuche aus Polyether-Etherketon (PEEK) und Polyimid (PI) sind Kapillarrohren aus Edelstahl oder Titan in jeder Hinsicht ebenbürtig.

… und was sind Mikroverschraubungen?

Verschraubungen sind in der Gas- und Wasser-Installationstechnik übliche, wiederlösbare Rohr-Verbindungen. Mikroverschraubungen sind die entsprechenden, miniaturisierten Pendants dazu. Auch die Bezeichnung „Mikroverschraubung“ ist kein normtechnischer Begriff, sondern lediglich eine von Nutzern initiierte Kennzeichnung für Verschraubungen von Leitungen geringen Querschnitts, die für „gewöhnliche“, technische Installationen kaum eine Relevanz haben.

Allgemein werden Verschraubungen für Leitungen mit Außendurchmessern von 1/8″ (ca. 3,2 mm) und kleiner als Mikroverschraubungen bezeichnet.

Die ganze Palette der Verschraubungen

Da Kapillarrohre und Mikroschläuche unterschiedlichsten Anforderungen gerecht werden müssen, ist auch die Bandbreite der Verschraubungssysteme groß. Sie werden hauptsächlich aus Edelstahl angeboten. Neben der einfachen Gerade-Verbindung von zwei Kapillarrohren oder Mikroschläuchen gleicher oder unterschiedlicher Abmessungen lassen sich mit Winkelverbindern Leitungen um Ecken und Kanten führen und damit an die Gegebenheiten vor Ort anpassen. Mit Kreuz-, T- und Y-Verbindern lassen sich schließlich Leitungssysteme zusammenstellen, um Mengenströme zusammenzuführen oder abzuleiten.

Auf die Dichtung kommt es an

Das wichtigste Kriterium für Verschraubungen mit Kapillarrohren und ebenso mit Mikroschläuchen ist jedoch die richtige Wahl des Dichtprinzips.

HPLC-Instrumentenpumpe
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Denn die technischen Unterschiede zwischen Mikroverschraubungen für den Niederdruckbereich, der laborüblich bis 10 bar angenommen wird und beispielsweise der präparativen Flash-Chromatographie genügt, und Mikroverschraubungen für hohe Druckbereiche von 100 bar und mehr, wie sie die Hochleistungs-Flüssigchromatographie (HPLC) erfordert, sind erheblich.

Auch Verschraubungen für Kapillarrohre aus hartem Material unterscheiden sich von solchen, die für Mikroschläuche aus weichen Kunststoffen konzipiert sind. Aus diesen unterschiedlichen Anforderungen, die an Mikroverschraubungen gestellt werden, resultieren deutlich voneinander abweichende technische Ausführungen, die zudem auch nicht miteinander kompatibel sind.

Verschraubungen für Kapillarrohre

Für das Verbinden von Kapillarrohren miteinander, ihre Einbindung in Leitungen und an Gerätesysteme sowie in Leitungsteilern haben sich Abdichtungen der Verschraubungen mittels Dichtkegel, kegelförmige Dichtringe aus Edelstahl 1.4401, sogenannte Ferruls, wegen ihrer Hochdruckfestigkeit besonders bewährt.

Hierbei wird ein auf das Ende des Kapillarrohres aufgesetztes Ferrul mittels Hohlschaube aus rostfreiem Stahl, einer längs durchbohrten Maschinenschraube mit Sechskantkopf, durch die das Kapillarrohr geführt ist, in die jeweilige Gewindehülse des vorgesehenen Verbinders eingeschraubt.

Die Gewindehülse, ebenfalls aus rostfreiem Stahl, verjüngt sich nach dem Gewinde innen kegelförmig bis auf den Innendurchmesser des Kapillarrohrs, so dass das aufgesteckte Ferrul beim Einschrauben in die Verengung eingepresst wird und sich dabei dieser Form totvolumenfrei anpasst. Zugleich verschweißt es sich dabei unter dem mechanischen Druck beim Einschrauben mit dem Kapillarrohr, wodurch die allseitige Dichtheit der Verschraubung erreicht wird und die Strömungsverhältnisse unbeeinflusst bleiben.

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Bau- und funktionsgleiche Verschraubungen für Kapillarrohre sind auch aus Kunststoffen, wie das bewährte Polyether-Etherketon (PEEK), aber auch aus Ethylen-Tetrafluorethylen-Copolymer (ETFE) und Polyimid (PI) verfügbar, die in ihrer Tauglichkeit denen aus Edelstahl nicht nachstehen. Eine sehr praxisorientierte Abwandlung davon sind Verschraubungen aus Kunststoffen, bei denen auf separate Ferruls verzichtet wird. Die Funktion des Ferruls übernimmt hierbei eine konusförmige Verjüngung am Ende der Hohlschraube. Durch den Rändelkopf der Hohlschraube anstelle eines Sechskant-Schraubenkopfes sind solche Verschraubungen werkzeuglos per Hand schnell und trotzdem dicht montierbar.

Verschraubungen für Mikroschläuche aus weichen Kunststoffen

Die für Kapillarrohre aus Metallen und Mikroschläuchen aus harten Kunststoffen bewährten Verschraubungen mittels Ferruls sind für Mikroschläuche aus weichen Kunststoffen, wie PVC oder HDPE, ungeeignet, weil sie schon einem mäßigen Andruck des Dichtkegels nicht standhalten würden, ohne zusammengedrückt zu werden. Deswegen müssen Mikroschläuche aus weichen Kunststoffen bei ihrer Verschraubung zugleich mechanisch stabilisiert werden.

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Bei der hierfür typischen Ausführungsform wird der Mikroschlauch auf den Langkonus des Verschraubungsteils gezogen und mit einem geschlitzten Spannring sowie einer gerändelten Überwurfmutter darauf gesichert. Die flächige und damit totvolumenfreie Verbindung ist auch unter mäßiger Druckbelastung dicht und leicht wieder lösbar. Andere Systeme nutzen statt der Spannringe spezielle Schneidringe, die sich beim Andruck an die hierbei zylindrisch ausgeführte Tülle in den weichen Kunststoff eindrücken und so eine totvolumenarme Ringdichtung realisieren.

Aus dem Labor kaum wegzudenken

Das wohl wichtigste Einsatzgebiet von Kapillarrohren und Mikroschläuchen ist heute die automatisierte, instrumentelle chemische Analytik. Hier sind es vor allem die Gas- und Flüssigchromatographie, die auf Kapillaren und Mikroschläuche für die Zuleitung von Trägergasen und Eluenten angewiesen sind.

Probeninjektor
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Aber auch für Dosiersysteme anderer moderner Analysenverfahren, wie die vielfältigen methodischen Spielarten der Feld-Fluss-Fraktionierung (FFF) zur Polymerenanalyse, der Elektrophorese zur Proteinidentifizierung und der Durchflusszytometrie (FACS®) zur Zellanalyse und Keimzahlbestimmung sind kleinlumige Zuleitungen unentbehrlich. Und auch in der Medizintechnik spielen Kapillaren und Mikroschläuche eine wichtige Rolle, etwa für die dauerhafte und daher vollautomatisierte Verabreichung von Medikamenten an Diabetes-Patienten.

Kleine Kapillaren ganz groß

Ob hochreines Wasser, Salzlösungen, Laugen oder Säuren einer Apparatur in kleinen Mengen und wohldosiert zugeführt werden sollen, hierfür sind Kapillarrohre und Mikroschläuche unentbehrlich. Für ihre Anschlüsse sind Verschraubungen notwendig, die möglichst einfach zu montieren sein sollen, aber zugleich auch unbedingte Dichtigkeit garantieren müssen.

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Durch die große Bandbreite an unterschiedlichen Verbindungsteilen aus unterschiedlichen Materialien, die am Markt zu finden sind, lässt sich fast jede gewünschte Anwendung realisieren. So klein die Durchmesser der Kapillaren und Mikroschläuchen mit 1/8″ und weniger auch sind, so groß und vielfältig sind deren Anwendungsmöglichkeiten. Und dank der passenden Mikroverschraubungen ist ihr Einsatz bei richtiger Verwendung auch immer sicher und zuverlässig.