JP2004515697A - 高圧低容量ポンプ - Google Patents

Abstract

本発明による高圧低容量ポンプにおいて、流体を流出入させるようにシリンダ内を往復動する細くて長いピストンロッド（１２）がピストン支持体（４６）に支持される。ピストンロッド（１２）はサファイヤ、ジルコン等で作られ、その直径は約１０ミリメートルよりも小さい。ポンプは、数百バールの圧力で約５０ナノリットル乃至約２５０マイクロリットル毎分の流量を提供する。ピストン支持体（４６）を直線駆動させる駆動装置のねじをナット（７０）に対して回転させる。駆動装置とピストン支持体（４６）との間のボールソケット連結部（７４）により、厳密な心出しの必要をなくし、ピストン（１２）の破損を防止する。ソケット（７８）内の磁石（８０）がボール（７６）を適所に保持し、スプリング式ホルダーの必要をなくす。ソケット（７８）は、ボール（７６）を包囲し且つ磁気保持力を増大させる低磁気抵抗材料リング（８８）を含む。

Description

【０００１】
〔発明の分野〕
本発明は、高圧液体クロマトグラフィに適した、改良された高圧低容量ポンプに関する。
【０００２】
〔従来技術の説明〕
厳密に測定された微小容量の液体を非常な高圧で正確に送出するポンプの要望がある。例えば、高圧液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）法を行う際、典型的には、メタノール又はイソプロピルアルコール等の液体溶剤を送出するモーター駆動ポンプが使用される。クロマトグラフィカラムの移動相のための溶剤を、より少ない量使用し、それをより高圧で作動させる傾向がある。例えば、数百バールの圧力で１分間当たり約５０ナノリットル乃至約２５０マイクロリットルの範囲の低流量の流体を送出することができるポンプを提供することが望ましい。
【０００３】
かかる低流量容量のために設計されたピストンポンプは、このピストンポンプの液体取扱い構成要素の寸法を非常に小さくしなければならないので、必然的に精密になる。サファイヤ又はジルコン等の材料は、精密な寸法公差及び表面公差を非常に小さい寸法で提供することができるので、サファイヤ又はジルコン等で作られた小直径ピストンの使用により、低容量ＨＰＬＣポンプは利益を得る。しかしながら、これらの材料は脆弱であり且つ容易に破損するので、問題が存在する。高圧低容量ポンプの組立て及び作動中、小さくて精密なピストンの破損を回避することは困難である。
【０００４】
〔発明の概要〕
本発明の主目的は、数百バールの高圧で１分間当たりナノリットルのレンジの正確に測定された液体流量を供給することが可能な、改良された高圧低容量ポンプを提供することにある。更に、本発明の目的は、ポンプの組立て及び作動中におけるピストンの破損の問題を解決すると共に、脆弱な材料で作られた微小ピストンを採用することができるポンプを提供すること、スプリングのような機械式ピストン保持の必要を回避するポンプを提供すること、ピストンとピストン駆動装置との厳密且つ高価な心出し作業の必要がないポンプを提供すること、及び、過去に使用されてきたポンプの不利益を解消する高圧低容量ポンプを提供することにある。
【０００５】
本発明によれば、概略的には、高圧液体クロマトグラフィ等のための高圧低容量ポンプが提供される。ポンプは、ポンプセクションを含み、このポンプセクションは、ポンプシリンダーと、ポンピングされた流体がポンプシリンダに流入するための通路とそれから流出するための通路とを含む。ピストン組立体は、シリンダーの中を往復動可能なピストンと、第１端でこのピストンを支持するピストンホルダーとを含む。モーターの作動に応答してピストン組立体を往復動させるために、ピストン駆動装置がモーターとピストンホルダーの第２端との間に連結される。ピストンは、約１０ミリメートルよりも小さい直径を有する細くて長いロッドである。ピストン駆動装置とピストンホルダーの第２端との相互連結部は、ソケットの中に枢動可能に受入れられる球形部材を有するボール−ソケットカップリングを含む。ソケット内の磁石が、磁力を使用して、球形部材をソケットの中に保持する。
【０００６】
本発明は、上述及びその他の目的及び利点と共に、図面に示した本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から良く理解されよう。
【０００７】
〔好ましい実施形態の詳細な説明〕
図１を参照すれば、本発明の原理に従って構成され、全体的に１０として指示される高圧低容量ポンプが図示されている。ポンプ１０は、高圧液体クロマトグラフィ法の溶剤液体移動相を提供するのに有用であり、メタノール、イソプロピルアルコール、アセトニトリル等の溶剤を、少なくとも６百バールの圧力で１分間当たり約５０ナノリットル乃至約２５０マイクロリットルの範囲の低流量でポンピングすることが可能である。
【０００８】
これらの望ましい性能特性を達成するために、ポンプ１０は、約１０ミリメートルよりも小さい直径、好ましくは、約１乃至約３ミリメートルの範囲の直径を有する細くて長いロッドの形態のピストン１２を含んでいる。ピストン１２は、結晶性材料、好ましくは、サファイヤで、又は、鉱物のような同様の特性を有する材料、好ましくは、ジルコンで作られるのが良い。かかる材料の利点は、厳密な公差と表面特性を有するこれらの材料を、本発明に必要な非常に小さい寸法で提供することができることにある。この材料及び寸法で作られたピストン１２の潜在的な不利益は、ピストン１２が脆弱であり、ポンプを組立てて作動させるとき、ピストン１２が破損し易いことにある。本発明は、この潜在的な不利益を乗り越え、ポンプピストン１２の破損の問題を解決する。
【０００９】
ポンプ１０の更に詳細な説明を続けると、ポンプ１０は、端キャップ１６を支持するポンプ本体１４を含み、端キャップ１６には、駆動モーター１８が固着されている。駆動モーター１８は、マイクロプロセッサの制御の下で正確に回転させることができるステッピングモーターであり、マイクロプロセッサは、駆動モーター１８の後部のエンコーダからの信号を受信する検出器２２からケーブル２０を通して提供される位置フィードバック信号を受信する。
【００１０】
ピストン１２を含むピストン組立体２４は、駆動伝達装置２８によって駆動モーター１８に連結されているピストン駆動装置２６によって直線的に往復動され、駆動伝達装置２８は、モーター１８の回転運動をピストン駆動装置２６及びピストン組立体２４の直線運動に変換する。ピストン１２は、ピストンハウジング３６に取付けたポンプヘッド３４に機械加工されたポンプセクション３２の一部分であるポンプシリンダ３０内を往復動し、ピストンハウジング３６は、ポンプ本体１４に固着されたキャップ３８と、キャップ３８とポンプヘッド３４との間に配置されたスペーサ４０とを含んでいる。
【００１１】
ポンプヘッド３４のポンプセクション３２は、流入通路４２と、流出通路４４とを含み、両者は、ポンプシリンダ３０と連通している。ピストン１２の周りには、流体がピストン１２の表面に沿ってポンプシリンダ３０の中に流れるのに十分な隙間があり、流入通路４２及び流出通路４４は、所望ならば、ポンプシリンダの長さ方向に沿ったその他の箇所、例えば、流入バルブ及び流出バルブをポンプヘッド３４の内部に又はその上に直接取付けることが可能な箇所に配置されていても良い。ポンプヘッド３４のところに又はそこから遠くに配置された流入バルブ（図示せず）は、ピストン１２がポンプシリンダ３０から外方に（図１に示す右方に）移動されたとき、流体を流入通路４２及びポンプシリンダ３０に流入させるように開口する。ポンプヘッド３４のところに又はそこから遠くに配置された流出バルブ（図示せず）は、ピストン１２がポンプシリンダ３０の内方に（図１に示す左方に）移動されたとき開口する。流入バルブ及び流出バルブは、チェックバルブ、又は、ソレノイドバルブのようなマイクロプロセッサー制御バルブであるのが良い。ＨＰＬＣ装置内の移動相連続流を提供するために、複数のバルブ１０の組立体が、少なくとも１つのバルブ１０が常に流出する流れを提供するように使用される。
【００１２】
ピストン組立体２４は、ピストンホルダー４６を含み、このピストンホルダー４６は、その一端に、ピストン１２が挿入され且つ固着された、軸線方向に延びる細くて長い孔を有する。ピストンホルダー４６は、スペーサ本体４０の中のリンスチャンバー４８内で往復動する。リンスポート５０の中を流れるリンス液体は、リンスチャンバー４８の中を通って流れる。ポンピングされた流体は、折畳み可能なベローズシール５２によってリンス液体から隔絶され、ベローズシール５２は、ピストンホルダー４６の溝５４内にある一端と、キャップ３８とスペーサ本体４０との間に捕捉された他端とを有している。図１に示している、ピストン１２が完全に延びた位置は、ピストンホルダー４６の係止フランジ５６がポンプヘッド３４にぶつかって係合することによって定められる。
【００１３】
駆動伝達装置２６は、シャフトカップリング６２によって駆動モーター１８の駆動シャフト６０と軸線方向に整列し且つそれに固着されているねじスクリュー５８を有する。駆動伝達装置２６は、駆動ねじスクリュー５８を軸線方向に受入れる中空の駆動カラー６４を含んでいる。駆動カラー６４の半径方向に延びる突出部６６が、駆動カラー６４の回転を防止するために、ポンプ本体１４の軸線方向に延びるスロット６８に受入れられている。駆動ねじ用ナット７０が駆動カラー６４の中に取付けられ、駆動ねじスクリュー５８と噛合っている。ベアリング７２が駆動カラー６４を、駆動カラー６４がポンプ１０の軸線に沿う直線運動をすることができるように支持している。駆動モーター１８が駆動シャフト６０を回転させるとき、駆動ねじスクリュー５８の回転により、それに噛合っている駆動ねじ用ナット７０及び駆動カラー６４の直線運動が厳密に制御されることになる。
【００１４】
本発明によれば、ボールソケット連結部７４が駆動カラー６４とピストンホルダー４６との間の駆動力を伝達する。ピストン１２と反対側のピストンホルダー４６の端部は、カップリングボール７６を構成するために球形である。駆動カラー６４の端部は、ボール７６を受入れるソケット７８を備えている。ボールソケット連結部７４を使用することにより、ピストン駆動装置２６の軸線とピストン組立体２４の運動軸線とを正確に心出しする必要を回避する。厳密な公差のコストが省略され、心ずれによるピストン１２の破損が防止される。
【００１５】
ボール７６をソケット７８の中に維持し、ピストン駆動装置２６がピストン組立体を押すことと引くことの両方を可能にするために、磁石８０がソケット７８に組込まれる。ボール７８は、スプリングまたはその他の保持装置によって機械的に保持されるのではなく、磁力によって保持される。ソケット７８は、ほぼカップ形状であり、マグネット８０を保持するためのネスト又は凹所を構成するベース壁８２と、ボールを包囲する側壁８４とを有する。ボール７６を含んでいるピストンホルダー４６は、磁石８０によって引き付けられる磁気材料、好ましくは、鉄材料で形成される。好ましくはプラスチックからなる、非磁気スペーサ８６が、ボール７６を磁石８０の表面のところに且つ磁石８０にきわめて近接して配置し、ソケット７８内でのボール７６の枢動自在運動を可能にする。磁石８０は、レアアース（希土類元素又はその酸化物）、ネオジム−鉄−バロン磁石であるのが好ましいが、その他の材料であっても良い。
【００１６】
磁気保持力は、側壁８４の中に支持され且つボール７６の中央平面を包囲する、軟鉄のような低磁気抵抗材料のリング８８によって最大にされる。リング８８は、磁石８０とボール７６を含む低磁気抵抗経路に寄与し、開放端磁束経路をより多くの閉磁束経路を変えることによって、磁気保持力を増大させる。
【００１７】
ポンプ１０を組立てる際、キャップ３８をポンプ本体１４に接合すると、ボール７６がソケット７８に入り込み、マグネット８０によってボール７６を図１に示す完全に着座した位置に推す。これは、ピストン１２に衝撃又は応力を付与しない緩やかで滑らかな運動であり、かくして、破損を回避する。もし機械的な保持装置が使用されていれば、ソケット７８へのピストン１２の挿入は、ピストンホルダー４６に付与される突然の運動又は非軸線方向力に起因した衝撃又は応力による損傷を引き起こす傾向がある。
【００１８】
図面に示した本発明の実施形態の詳細を参照して本発明を説明したけれども、これらの詳細は、請求の範囲に記載された本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明に従って構成された高圧低容量ポンプの主軸における断面図である。
【図２】
図１の高圧低容量ポンプのピストン組立体及びピストン駆動装置の拡大断面図である。

Claims (9)

1. ポンプシリンダーを含むポンプセクションと、
   ポンピングされた流体が前記ポンプシリンダーに流入するための通路及びそこから流出するための通路と、
   前記ポンプシリンダーの中を往復動可能なピストンと、第１端でこのピストンを支持するピストンホルダーと、を含むピストン組立体と、
   モーターと、
   このモーターの作動に応答して前記ピストン組立体を往復動させるために、前記モーターと前記ピストンホルダーの第２端との間に連結されるピストン駆動装置と、を有し、
   前記ピストンは、約１０ミリメートルよりも小さい直径を有する細くて長いロッドであり、
   前記ピストン駆動装置と前記ピストンホルダーの第２端との間の相互連結部は、ソケットの中に枢動自在に受入れられる球形部材を有するボール−ソケットカップリングを含み、
   前記ソケットは、ベースと前記球形部材を少なくとも部分的に包囲する側壁とを有するカップ形状である、高圧液体クロマトグラフィー等のための高圧低容量ポンプにおいて、
   磁力を使用して、前記球形部材を前記ソケットの中に保持するためのソケット内磁石を有し、この磁石は、前記球形部材に隣接して前記ベース内に配置され、前記ソケットは、更に、前記側壁内に支持され且つ前記球形部材を包囲する低磁気抵抗の磁気材料のリングを含むことを特徴とする、高圧低容量ポンプ。
2. 前記ピストンは、結晶性材料で作られる、請求項１に記載の高圧低容量ポンプ。
3. 前記ピストンは、サファイヤで作られる、請求項２に記載の高圧低容量ポンプ。
4. 前記ピストンは、鉱物で作られる、請求項１に記載の高圧低容量ポンプ。
5. 前記ピストンは、ジルコンで作られる、請求項１に記載の高圧低容量ポンプ。
6. 前記球形部材は、前記ピストンホルダーの第２端にあり、前記ソケットは、前記ピストン駆動装置の一部分である、請求項１に記載の高圧低容量ポンプ。
7. 前記モーターは、回転可能な駆動シャフトを含み、前記ピストン駆動装置は、前記駆動シャフトの回転運動を前記ソケットの直線運動に変換するための駆動伝達装置を含む、請求項６に記載の高圧低容量ポンプ。
8. 前記駆動伝達装置は、前記モーターの駆動シャフトによって回転駆動されるねじシャフトと、前記ピストン駆動装置によって支持されるねじ駆動ナットと、を含む、請求項７に記載の高圧低容量ポンプ。
9. 前記ピストンは、約１ミリメートル乃至約３ミリメートルの範囲の直径を有する、請求項１に記載の高圧低容量ポンプ。