CN114008361A

CN114008361A - 背压控制阀

Info

Publication number: CN114008361A
Application number: CN201980097257.4A
Authority: CN
Inventors: 高良智寻
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2019-06-11
Filing date: 2019-06-11
Publication date: 2022-02-01
Also published as: WO2020250316A1; JP7243824B2; JPWO2020250316A1; US20220228667A1

Abstract

背压控制阀包括：本体部，具有内部空间；阀体，配置于所述本体部的所述内部空间内，并且具有与所述内部空间的一面相向的相向面；驱动部，使所述阀体以所述阀体的所述相向面与所述内部空间的所述一面之间的距离发生变化的方式移动；以及树脂被膜，形成于所述内部空间内的所述一面及所述阀体的所述相向面中的其中一个面上，所述本体部具有第一流路及第二流路，所述第一流路将流体引导至形成于所述一面及所述阀体的所述相向面中的另一个面与所述树脂被膜之间的压力控制空间，所述第二流路从所述压力控制空间排出流体。

Description

背压控制阀

技术领域

本发明涉及一种背压控制阀。

背景技术

在超临界流体色谱仪(Supercritical Fluid Chromatograph，SFC)中，使用超临界流体作为流动相。一般而言，作为超临界流体，使用的是二氧化碳。在超临界流体色谱仪中，为了将供给至分离管柱的二氧化碳保持在超临界状态，对二氧化碳的压力及温度进行控制。为了对二氧化碳的压力进行控制，使用背压控制阀。例如，利用背压控制阀将二氧化碳的压力控制在10MPa以上。在专利文献1中记载了作为背压控制阀的压力控制阀。

专利文献1中记载的压力控制阀(以下，称为背压控制阀)具有由不锈钢等硬质材料形成的压力控制区块。在压力控制区块的一个外表面设置有开口部，在开口部的底部形成有平面状的压力控制面。在压力控制区块形成有入口流路及出口流路。入口流路的一端与超临界流体色谱仪的流路连接，另一端在压力控制面开口。出口流路的一端在压力控制面开口，另一端向大气压开放。

在开口部内的压力控制面的上方配置有片状的阀体。在压力控制面与阀体之间形成间隙。通过利用致动器使阀体上下移动来调整压力控制面与阀体之间的间隙量。由此，调整入口流路内的压力。

专利文献1：国际公开2017-130316号公报

发明内容

[发明所要解决的问题]

在超临界流体色谱仪中，为了调整试样的成分的分离度，在流动相中混合包含有机溶媒的改性剂。在背压控制阀中，为了将流动相的二氧化碳保持在超临界状态，入口流路的压力高达10MPa以上，出口流路的压力成为大气压。由此，在压力控制面与阀体之间的间隙中，压力急剧地下降。

其结果，背压控制阀内的流动相发生气蚀(cavitation)。另外，随着气蚀的发生，背压控制阀的压力控制面会发生侵蚀(腐蚀)。此种侵蚀特别容易在使用包含有机溶媒的改性剂的情况下发生。

因此，在专利文献1中记载了利用具有比压力控制区块的硬质材料高的硬度的类金刚石碳(Diamond-Like Carbon，DLC)被覆背压控制阀的压力控制面。由此，压力控制面的侵蚀的发生降低。

另一方面，期望通过进一步抑制背压控制阀的压力控制面的侵蚀的发生，进一步提高背压控制阀的耐久性及寿命。

本发明的目的在于提供一种耐久性及寿命得到提高的背压控制阀。

[解决问题的技术手段]

本发明者反复进行了各种实验及研究，结果发现，与由硬质材料形成背压控制阀的压力控制面相比，相反通过由软质材料形成，能够抑制气蚀引起的侵蚀的发生，从而创作了以下的发明。

根据本发明的一方面的背压控制阀包括：本体部，具有内部空间；阀体，配置于所述本体部的所述内部空间内，并且具有与所述内部空间的一面相向的相向面；驱动部，使所述阀体以所述阀体的所述相向面与所述内部空间的所述一面之间的距离发生变化的方式移动；以及树脂被膜，形成于所述内部空间内的所述一面及所述阀体的所述相向面中的其中一个面上，所述本体部包括第一流路及第二流路，所述第一流路将流体引导至形成于所述一面及所述阀体的所述相向面中的另一个面与所述树脂被膜之间的压力控制空间，所述第二流路从所述压力控制空间排出流体。

[发明的效果]

根据本发明，可提供一种耐久性及寿命得到提高的背压控制阀。

附图说明

[图1]图1是以剖面表示背压控制阀的结构的图。

[图2]图2是表示超临界流体色谱仪的结构的一例的示意图。

[图3]图3是表示关于背压控制阀的第一耐久性试验的结果的图像。

[图4]图4是表示关于背压控制阀的第二耐久性试验的结果的图像。

具体实施方式

以下，参照附图对实施方式的背压控制阀及包括所述背压控制阀的超临界流体色谱仪进行详细说明。

(1)背压控制阀的结构及动作

图1是表示背压控制阀100的结构的示意性剖视图。图1的背压控制阀100包括：压力控制区块10、树脂被膜20、隔膜30及驱动部80。压力控制区块10为本体部的一例，隔膜30为阀体的例子。

压力控制区块10由金属材料等硬质材料形成。金属材料为第一材料的例子。在本实施方式中，压力控制区块10由不锈钢形成。压力控制区块10的材料不限定于此。在压力控制区块10的上部形成有凹部11。凹部11具有平坦的底面12。凹部11的上端开放。在本实施方式中，凹部11具有圆柱形状。凹部11为内部空间的例子。

形成有从压力控制区块10的其中一侧的下部向凹部11沿斜上方延伸的入口流路14。另外，以从压力控制区块10的另一侧的下部向凹部11沿斜上方延伸的方式形成有出口流路15。入口流路14为第一流路的例子，出口流路15为第二流路的例子。

入口流路14的一端在压力控制区块10的外表面开口，入口流路14的另一端在底面12开口。出口流路15的一端在压力控制区块10的外表面开口，出口流路15的另一端在底面12开口。

在凹部11的底面12形成有树脂被膜20。树脂被膜20由具有比金属材料低的硬度的树脂形成。在本实施方式中，作为树脂材料，使用聚醚醚酮(Polyether ether ketone，PEEK)。根据后述的理由，树脂被膜20的厚度优选为50μm以下。树脂被膜20的厚度例如为10μm以上且50μm以下。另外，树脂被膜20的厚度更优选为10μm以上且30μm以下。以下，将树脂被膜20的上表面称为压力控制面21。在树脂被膜20形成与入口流路14的另一端及出口流路15的另一端连通的孔21a、孔21b。

在压力控制区块10的凹部11内，以与压力控制面21相向的方式配置有平板状的隔膜30。隔膜30设置成能够在凹部11内上下移动。在本实施方式中，隔膜30由聚对苯二甲酸丁二酯(Polybutylene Terephthalate，PBT)形成，但隔膜30的材料不限定于此。隔膜3也可由其他的树脂材料形成。树脂材料为第二材料的例子。在隔膜30的下表面(以下，称为相向面31)与压力控制面21之间形成压力控制空间SP。

如此，压力控制空间SP由通过树脂材料形成的隔膜30的相向面31及树脂被膜20的压力控制面21形成。在此种结构中，压力控制面21及相向面31此两者由比金属材料软质的树脂材料形成。为了进行高精度的压力控制，优选为压力控制面21及相向面31中的其中一者的硬度高。因此，树脂被膜20的厚度优选为小。因此，如上所述，树脂被膜20的厚度优选为50μm以下。

隔膜30由驱动部80沿上下方向驱动。驱动部80包括：步进马达40、可动构件50、压电元件60及阀杆70。在步进马达40的旋转轴安装有可动构件50。在隔膜30的上表面，以沿上下方向延伸的方式安装有阀杆70。在可动构件50与阀杆70之间安装有压电元件60。

通过步进马达40的旋转轴旋转，可动构件50沿上下方向移动。因此，可通过步进马达40的旋转来对隔膜30的上下方向的位置进行粗调整。另外，压电元件60的厚度根据所施加的电压而变化。因此，通过使向压电元件60的施加电压变化，可对隔膜30的上下方向的位置进行微调整。由此，可通过驱动部80的动作来调整压力控制面21与隔膜30的相向面31之间的间隙量。即，可调整压力控制空间SP的容积。

在背压控制阀100的动作时，如箭头A1所示，通过入口流路14及孔21a供给至压力控制空间SP。压力控制空间SP内的流动相如箭头A2所示，通过孔21b及出口流路15排出至压力控制区块10的外部。在此情况下，驱动部80调整压力控制面21与隔膜30的相向面31之间的间隙量，由此可对通过入口流路14而供给的流动相的压力进行控制。出口流路15的下游向大气压开放。

此时，压力控制空间SP内的流动相的上游的压力高达压力控制10MPa～40MPa。与此相对，压力控制空间SP内的流动相的下游压力接近大气压。因此，压力控制空间SP内容易发生气蚀。在本实施方式中，压力控制面21由树脂被膜20的上表面形成。由此，如后述那样，抑制压力控制面21上发生气蚀引起的侵蚀。

(2)超临界流体色谱仪

图2是表示使用了图1的背压控制阀100的超临界流体色谱仪的结构的一例的示意图。图2的超临界流体色谱仪1包括：CO₂泵110、改性剂泵120、混合器130、自动取样器140、分离管柱150、检测器160、压力传感器170、控制部180及背压控制阀100。

CO₂泵110一边从储气瓶111对二氧化碳(CO₂)进行加压一边将其抽出。改性剂泵120从改性剂容器112抽出改性剂。在本实施方式中，作为改性剂，使用甲醇。混合器130将由CO₂泵110抽出的二氧化碳及由改性剂泵120抽出的改性剂混合，并将混合液作为流动相通过自动取样器140而供给至分离管柱150。

自动取样器140将试样导入至从混合器130供给至分离管柱150的流动相。向分离管柱150导入流动相及试样。分离管柱150将所导入的试样的成分分离。从分离管柱150导出的流动相及试样在检测器160的流动池中流动。检测器160对在流动池中流动的流动相中的试样的成分进行检测。

从检测器160的流动池导出的流动相及试样流入至图1的背压控制阀100的入口流路14，并从出口流路15流出。压力传感器170对背压控制阀100的上游侧的压力进行检测。控制部180基于由压力传感器170检测出的压力，对背压控制阀100的驱动部80进行控制。由此，背压控制阀100的上游侧的压力被调整为设定值。由CO₂泵110抽出的二氧化碳通过背压控制阀100进行的压力控制及冷却装置(未图示)进行的温度控制而保持于超临界状态的液体中。

(3)实施例及比较例

为了评价本实施方式的背压控制阀100的耐久性，使用图2的超临界流体色谱仪1进行了以下所示的耐久性试验。在实施例中，使用了图1的背压控制阀100。在比较例中，除了在压力控制区块10的凹部11的底面12形成有DLC被膜来代替树脂被膜20这一点以外，使用了具有与图1的背压控制阀100相同的结构的背压控制阀。再者，还对参考例进行了耐久性试验。在参考例中，除了压力控制区块10的凹部11的底面12露出这一点以外，使用了具有与图1的背压控制阀100相同的结构的背压控制阀。在参考例的背压控制阀中，压力控制面由压力控制区块的不锈钢形成。

首先，使用实施例、比较例及参考例的背压控制阀进行第一耐久性试验。在第一耐久性试验中，以比较大的流量向背压控制阀供给了流动相。另外，使用实施例及比较例的背压控制阀进行了第二耐久性试验。在第二耐久性试验中，以比较小的流量向背压控制阀供给了流动相。

在第一耐久性试验中，以流量80mL/min从入口流路向实施例、比较例及参考例的背压控制阀供给流动相，将背压控制阀的上游的压力设定为15MPa。在流动相中混合了甲醇作为改性剂。流动相的改性剂浓度为20％。

图3是表示关于比较例、实施例及参考例的背压控制阀的第一耐久性试验的结果的图像。在图3中示出第一耐久性试验的前后的压力控制面的图像。

在图3的左上示出比较例中的试验前的压力控制面的图像，在左下示出比较例中的试验后的压力控制面的图像。在比较例中，在向背压控制阀供给406L的流动相之后，在包括DLC被膜的压力控制面上已经产生了侵蚀。

在图3的中央上示出实施例中的试验前的压力控制面的图像，在中央下示出实施例中的试验后的压力控制面的图像。在实施例中，即便在向背压控制阀供给488L的流动相之后，在包括树脂被膜的压力控制面上也几乎不产生侵蚀。

在图3的右上示出参考例中的试验前的压力控制面的图像，在右下示出参考例中的试验后的压力控制面的图像。在参考例中，在向背压控制阀供给694L的流动相之后，在由不锈钢形成的压力控制面的广范围内产生了侵蚀。

接着，在第二耐久性试验中，以流量1.5mL/min从入口流路14向实施例及比较例的背压控制阀供给流动相，将背压控制阀的上游的压力设定为10MPa。在流动相中混合了添加了0.1％的三氟乙酸的甲醇作为改性剂。流动相中的改性剂浓度为40％。

图4是表示关于比较例及实施例的背压控制阀的第二耐久性试验的结果的图像。在图4中示出第二耐久性试验的前后的压力控制面的图像。

在图4的左上示出比较例中的试验前的压力控制面的图像，在左下示出比较例中的从试验开始起68小时后的压力控制面的图像。在比较例中，在从流动相向背压控制阀的供给开始起约68小时后，在包括DLC被膜的压力控制面上产生了侵蚀。由此，在压力控制面上，入口流路的孔与出口流路的孔相连。其结果，难以将背压控制阀上游侧的压力控制为设定值。

在图4的右上示出实施例中的试验前的压力控制面的图像，在右下示出实施例中的从试验开始起约222小时后的压力控制面的图像。在实施例中，即便在从流动相向背压控制阀的供给开始起约222小时后，在包括树脂被膜的压力控制面上也不产生侵蚀。由此，试验后也能够进行精密的压力控制。

根据第一耐久性试验的结果可知，在如试样成分的分取时那样流量比较大的情况下，在由树脂被膜形成的压力控制面中，与由DLC被膜形成的压力控制面相比，侵蚀的发生充分地得到抑制。另外，根据第二耐久性试验的结果可知，在如试样成分的分析时那样流量比较小的情况下，由DLC被膜形成的压力控制面上产生侵蚀，但在由树脂被膜形成的压力控制面中侵蚀的发生得到抑制。

(4)实施方式的效果

在本实施方式的背压控制阀100中，在压力控制区块10的凹部11的底面12形成树脂被膜20。在此情况下，由树脂被膜20的上表面形成压力控制面21。由此，即便在压力控制面21与隔膜30的相向面31之间长时间供给包含有机溶剂的超临界流体作为流动相的情况下，也可在压力控制面21中抑制气蚀引起的侵蚀的发生。其结果，背压控制阀100的耐久性及寿命提高。

(5)其他实施方式

在所述实施方式中，压力控制区块10由金属材料形成，隔膜30由树脂材料形成，树脂被膜20形成于压力控制区块10的底面12，但也可为压力控制区块10由树脂材料形成，隔膜30由金属材料形成，树脂被膜20形成于隔膜30的相向面31。

在所述实施方式中，树脂被膜20由PEEK形成，但树脂被膜20也可由PEEK以外的酮系树脂形成。另外，作为树脂被膜20，也可使用具有与PEEK类似的机械性质(压缩应力及拉伸强度等)且具有比较高的硬度的其他树脂。例如，树脂被膜20也可由聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)等氟系树脂形成。进而，树脂被膜20也可由聚苯硫醚(Polyphenylene sulfide，PPS)或PBT(聚对苯二甲酸丁二酯)等其他树脂形成。

在所述实施方式中，说明了背压控制阀100用于超临界流体色谱仪的例子，但背压控制阀100也可用于超临界流体提取装置(Supercritical Fluid Extraction，SPE)。

(6)形态

本领域技术人员将理解，上文所述的多个例示性的实施方式为以下形态的具体例。

(第一项)一形态的背压控制阀包括：

本体部，具有内部空间；

阀体，配置于所述本体部的所述内部空间内，并且具有与所述内部空间的一面相向的相向面；

驱动部，使所述阀体以所述阀体的所述相向面与所述内部空间的所述一面之间的距离发生变化的方式移动；以及

树脂被膜，形成于所述内部空间内的所述一面及所述阀体的所述相向面中的其中一个面上，

所述本体部也可包括第一流路及第二流路，所述第一流路将流体引导至形成于所述一面及所述阀体的所述相向面中的另一个面与所述树脂被膜之间的压力控制空间，所述第二流路从所述压力控制空间排出流体。

根据第一项所述的背压控制阀，即便在本体部的内部空间的一面与阀体的相向面之间长时间供给包含有机溶剂的超临界流体作为流动相的情况下，也可在树脂被膜中抑制气蚀引起的侵蚀的发生。其结果，可提高背压控制阀的耐久性及寿命。

(第二项)根据第一项所述的背压控制阀，其中，也可为：

所述本体部由第一材料形成，

所述阀体由比所述第一材料软质的第二材料形成，

所述树脂被膜形成于所述内部空间的所述一面上。

根据第二项所述的背压控制阀，在形成于比阀体硬质的本体部的一面的树脂被膜与阀体的相向面之间形成压力控制空间。即便在所述压力控制空间中发生了气蚀的情况下，也可抑制树脂被膜的侵蚀的发生。

(第三项)根据第一项所述的背压控制阀，其中，也可为：

所述第一材料是金属材料，

所述第二材料是树脂材料，

所述树脂被膜具有比所述金属材料低的硬度。

根据第三项的记载，可抑制由金属材料形成的本体部的一面上的侵蚀的发生。

(第四项)根据第一项所述的背压控制阀，其中，也可为：

所述树脂被膜由酮系树脂形成。

根据第四项的记载，可抑制由酮树脂形成的树脂被膜的侵蚀的发生。

(第五项)根据第一项所述的背压控制阀，其中，也可为：

所述树脂被膜由聚醚醚酮形成。

根据第五项的记载，可充分地抑制由聚醚醚酮形成的树脂被膜的侵蚀的发生。

(第六项)根据第一项所述的背压控制阀，其中，也可为：

所述树脂被膜具有50μm以下的厚度。

根据第六项的记载，能够进行高精度的压力控制。

Claims

1.一种背压控制阀，包括：

本体部，具有内部空间；

所述本体部具有第一流路及第二流路，所述第一流路将流体引导至形成于所述一面及所述阀体的所述相向面中的另一个面与所述树脂被膜之间的压力控制空间，所述第二流路从所述压力控制空间排出流体。

2.根据权利要求1所述的背压控制阀，其中，

所述本体部由第一材料形成，

所述阀体由比所述第一材料软质的第二材料形成，

所述树脂被膜形成于所述内部空间的所述一面上。

3.根据权利要求2所述的背压控制阀，其中，

所述第一材料是金属材料，

所述第二材料是树脂材料，

所述树脂被膜具有比所述金属材料低的硬度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的背压控制阀，其中，所述树脂被膜由酮系树脂形成。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的背压控制阀，其中，所述树脂被膜由聚醚醚酮形成。

6.根据权利要求1至3中任一项所述的背压控制阀，其中，所述树脂被膜具有50μm以下的厚度。