JP2005273514A - 逆止弁とそれを用いた送液ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】
流量正確さの悪化や脈動の増加を起こすことなく逆流を効果的に防ぐ。
【解決手段】
ハウジング５２内には入口側に弁座５８が固定され、弁座５８上に弁座５８の穴よりも大きな径をもつ球体の弁体６０が配置されている。弁体６０はルビーからなる球の内側に磁性体金属が内包されている。弁座５４の外側にはリング状の永久磁石６２が配置されており、弁体６０を弁座５８に押し付ける方向に磁気力を作用させている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、高圧流体用の逆止弁と、それを用いた送液ポンプ、特にプランジャーポンプに関する。

液体クロマトグラフには高圧で正確な流量を安定して送液することが求められることからプランジャー式のポンプ（プランジャーポンプ）が使用されることが多い。液体クロマトグラフに用いられるプランジャーポンプでは、高圧の流体をカラムに送り出している。プランジャーポンプは、プランジャーの往復動により流体の吸入と吐出を行なうポンプ室と、ポンプ室の吸入側と吐出側にそれぞれ配置され流体の逆流を防ぐ逆止弁とを備えている。

プランジャーポンプに使用される逆止弁は、流体通路となる孔を有する弁座と、この孔より大径のボールからなる弁体とを備え、そのボールが孔を閉塞することにより弁体側から弁座方向への流体の逆流を防いでいる（特許文献１参照。）。

逆止弁の弁座やボールに使用される材料として、弁座にはサファイアやＮｉ−Ｍｏ合金鋼であるハステロイが使用され、ボールにはステンレスやルビーが使用されている。
このような逆止弁では、弁体と弁座の間に気泡が入ると弁体が弁座に着座せず弁が閉じないため送液不良を起こすことがある。これを防止するためにバネで弁体を弁座に押し付けるようにしたものがあった。そのような例を図５に示す。

図５において、ハウジング２内には流体入口側（図では下側）にガスケット４を介して弁座８が固定されており、弁座８上には弁体１０のボールが着脱可能に配置され、弁体１０上から弁体１０を弁座８に押し付けるためのロッド１２が設けられている。ロッド１２はコイルバネ１４により弁体１０を弁座８方向に押す方向に付勢されている。

ガスケット４の下部には流体を導く配管接続口１３が設けられており、配管接続口１３から供給された流体が弁体１０を弁座８から押し上げ、その隙間からハウジング２内に入り出口側のガスケット６を経て出口から出て行く。
図５に示すようにバネで弁体を弁座に押し付けることにより、弁体と弁座の間に気泡が入っても気泡を押しつぶして弁体を弁座に着座させることができ、逆流を防ぐことができる。
特開平７−１４５８７１号公報

しかし、図５に示すようにバネを設けた逆止弁では、バネを入れるための空間が必要になるためハウジング内の死容積が増加してしまい、高圧送液時の流量正確さの悪化や脈動の増加を起こしてしまう。また、ポンプ室にはプランジャーを摺動可能に支持するためにプランジャーシールが設けられているが、プランジャーとの摺動に伴うプランジャーシールの削りカスがバネに引っかかると弁の動作が不安定になることがあった。

本発明の第１の目的は、流量正確さの悪化や脈動の増加を起こすことなく逆流を効果的に防ぐことのできる逆止弁を提供することである。
本発明の第２の目的は、送液特性の優れたプランジャーポンプを提供することである。

第１の目的を達成するための本発明の逆止弁は、磁力により弁体を弁座に押し付けることにより弁体を弁座に確実に着座させようとするものである。
その第１の形態は、弁体が磁性体により又は磁性体を内包したものにより構成されており、弁座側に永久磁石が配置されているものである。

その第２の形態は、弁体が永久磁石により又は永久磁石を内包したものにより構成されており、弁座側に磁性体が配置されているものである。
その第３の形態は、弁体が永久磁石により又は永久磁石を内包したものにより構成されており、弁座側には永久磁石が弁体側の永久磁石と引き合う方向に配置されているものである。
その第４の形態は、弁体が永久磁石により又は永久磁石を内包したものにより構成されており、弁体を挟んで弁座と反対側に永久磁石が弁体の永久磁石と反発し合う方向に配置されているものである。

磁性体と永久磁石による磁気力又は永久磁石どおしによる磁気力は、弁体を弁座に着座させる方向に作用しているが、その磁気力の強さはこの逆止弁がポンプの吸入側に配置されるものである場合はポンプの吸引時にシリンダ内に発生する負圧によって生じる入口側の弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く、この逆止弁がポンプの吐出側に配置されるものである場合はポンプの吐出時に発生する正圧によって生じる出口側の弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く設定されている。
その磁気力の強さは、ポンプ内に空気が介在した状態でポンプ駆動したときにその空気が弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く設定されていることが好ましい。

第２の目的を達成するための本発明の送液ポンプは、プランジャーの往復動により流体の吸入と吐出を行なうポンプ室と、このポンプ室の吸入側と吐出側にそれぞれ配置され流体の逆流を防ぐ逆止弁とを備えたプランジャーポンプにおいて、逆止弁として本発明の逆止弁を用いたものである。

本発明の逆止弁では、磁気により弁体を弁座に着座させようとする力が働いているため、弁体と弁座の間に気泡が入っても弁体は気泡を押しつぶして弁座に着座するため弁が正常に開閉し送液不良を起こさない。そして、バネを使用していないためハウジング内の死容積を増加させず、流量正確さの悪化や脈動の増加を抑えることができ、プランジャーシールの削りカスがつくことによる弁の動作不良も防ぐことができる。

ハウジング内に空気が入ったときにも逆止弁が動作するように磁気力の強さを設定しておけば、溶媒置換や運転開始時などポンプ内に空気が多量に入ってしまうときにも逆止弁が動作しポンプが送液不良を起こさずに溶媒置換を速やかに行なったり、速やかに分析を開始したりすることができるようになる。
このような逆止弁を備えた送液ポンプは、正確な送液動作を行なうことができる。

図１は一実施例のブランジャポンプを示したものである。ポンプヘッド２０にはポンプ室２２が形成され、ポンプ室２２の吸入側と吐出側にそれぞれ本発明の逆止弁２４，２６が配置されている。ポンプ室２２にはプランジャー３０がプランジャーシール２８により液漏れを防ぎながら摺動可能に取りつけられており、プランジャー３０が往復動することによりポンプ室２２の容積が変化して送液動作を行なう。

プランジャー３０の基端部はクロスヘッド３２の先端と接触し、プランジャー３０はスプリング３４によってポンプ室２２から遠ざかる方向に付勢されている。クロスヘッド３２の基端部にはカムフォロワー３６が設けられ、カムフォロワー３６は偏心カム３８と接触している。４０はカム３８を回転させるモータである。
モータ４０によりカム３８を回転させると、カム３８の回転によりクロスヘッド３２が直線往復運動し、それに伴ってプランジャー３０も往復運動する。

図２は逆止弁の一実施例を示したものである。（Ａ）はその軸方向に沿った断面図であり、（Ｂ）は弁体の断面図である。
逆止弁本体５０にはハウジング５２が設けられ、ハウジング５２の液入口側にはガスケット５４、出口側にはガスケット５６が設けられている。ハウジング５２内には入口側に弁座５８が固定され、弁座５８上に弁座５８の穴よりも大きな径をもつ球体の弁体６０が配置されている。弁体６０はルビーからなる球の内側に磁性体金属が内包されている。弁体６０は弁座５８の穴を閉じることによって液の逆流を防止し、弁体６０が弁座５８から押し上げられるか又は引き上げられることにより弁座５８と弁体６０の隙間から液が流れるようになっている。弁座５８につながる流路は液を供給する配管に接続される配管接続口６４となっている。
弁座５４の外側にはリング状の永久磁石６２が配置されており、弁体６０を弁座５８に押し付ける方向に磁気力を作用させている。

弁体６０は（Ｂ）に示されるように、球状の磁性体金属６８をルビー材の中空になった半球６６ａ，６６ｂの２つで挟み込み、半球６６ａ，６６ｂの接合面を溶着し、外面を研磨して弁体としたものである。磁性体金属としては、鉄、コバルト、ニッケル又はそれらの化合物が好ましい。

弁座５８はサファイアで製作し、その外側にリング状の永久磁石６２を配置し、弁体６０が弁座５８に着座するよう吸引力を働かせる。ハウジング５２は非磁性の金属、例えばＳＵＳ３１６などのステンレス材、で製作し、ガスケット５４，５６はフッ素樹脂やＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などの磁牲を持たない樹脂で製作する。

この逆止弁では、ハウジングの入口側からの液の圧力により弁体６０が弁座５８から押し上げられるか、又はハウジングの出口側からの液の吸引力により弁体６０が弁座５８から引き上げられることにより弁座５８と弁体６０に隙間が生じ、矢印で示されるように、その隙間から液が流入又は流出する。そして、そのような液の圧力又は吸引力が働かなくなったときは、弁体６０には弁座５４に押し付ける方向の磁気力の作用により、弁体６０は弁座５４に着座して液の逆流を防ぐ。

図３は逆止弁の第２の実施例を軸方向に沿って切断した断面図であり、弁体の構造が図２の実施例のものと異なる。
この実施例の弁体７０では、円筒状のステンレス材７２の内部に磁性体金属７６が挿入され、挿入口がステンレス材で封止され、ステンレス材どうしの隙間はレーザー溶接などでシールされている。ステンレス製円筒７２の端部にルビーの球７４が圧入されて弁体７０となっている。

他の構成は図２の実施例と同様であり、弁座５８はサファイア製であり、その外側にリング状の永久磁石６２が配置され、弁体の球７４が弁座５８に着座するよう吸着力を働かせている。ハウジング５２は非磁性のステンレス製であり、ガスケット５４，５６はフッ素樹脂やＰＥＥＫなどの磁性を持たない樹脂製である。
動作は図２の実施例と同じである。

図４は逆止弁の第３の実施例を軸方向に沿って切断した断面図であり、弁体の構造は図２の実施例のものと同じであるが、永久磁石６２ａの配置されている位置が異なる。
この実施例では、永久磁石６２ａは弁座５８の直下に配置されている。そのため、液を供給する配管接続口につながる流路６４ａは永久磁石６２ａとの干渉を避けるように曲げられている。図２、図３の実施例では永久磁石６２はリング状であるが、この実施例の永久磁石６２ａは扁平な円柱状である。

以上の実施例の逆止弁は、弁体側に磁性体を内包させ、弁座側に永久磁石を配置しているが、逆に弁体側に永久磁石を内包させ、弁座側に磁性休を配置してもよい。
また、弁体側と弁座側の双方に永久磁石を互いに逆極性になって吸引しあう方向に配置してもよい。弁体側と弁体を挟んで弁座と反対側の双方に永久磁石を互いに同極性になって反発しあう方向に配置してもよい。
さらには、弁体、弁座そのものをこの逆止弁を流れる液に対して耐性のある永久磁石や磁性体で製作してもよい。

逆止弁がポンプの吸入側にも吐出側にも使用される汎用性をもつものであるとすれば、弁体を弁座に着座させる方向に働く磁気による吸引力の強さは、ポンプの吸引時にポンプのシリンダ内に発生する負圧によって生じる入口側の弁体を弁座から引き離そうとする力と、ポンプの吐出時に発生する正圧によって生じる出口側の弁体を弁座から引き離そうとする力のいずれか弱いほうよりも弱く設定する。これらのシリンダ内に発生する圧力はシリンダ内流体の圧縮率、死容積及びプランジャーの往復によって生じる容積変化量の関係から求まり、弁体を弁座から引き離そうとする力はシリンダ内の圧力、逆止弁の形状及びシリンダ以外の部分からの圧力で求まる。

また、液体クロマトグラフの送液ポンプは液体を送液するものであるが、液体よりも大きい値の空気の圧縮率と膨張率を用いて前述のポンプ駆動時に弁体を弁座から引き離そうとする力を算出し、弁体を弁座に着座させる方向に働く磁気による吸引力の強さを空気を用いて計算した力よりも弱く設定しておくことにより、運転開始時などシリンダ内に空気が含まれている場合にも逆止弁が機能して送液を行なことができるようになる。

本発明の逆止弁を用いた送液ポンプは、液体クロマトグラフにおける移動相の送液のように正確な送液が要求される送液ポンプとして利用するのに適する。

プランジャーポンプの一実施例を示す概略断面図である。 逆止弁の一実施例を示す断面図である。 逆止弁の他の実施例を示す断面図である。 逆止弁のさらに他の実施例を示す断面図である。 従来の逆止弁を示す断面図である。

符号の説明

２０ ポンプヘッド
２２ ポンプ室
２４，２６ 逆止弁
２８ プランジャーシール
３０ プランジャー
３８ 偏心カム
４０ モータ
５０ 逆止弁本体
５２ ハウジング
５４，５６ ガスケット
５８ 弁座
６０，７０ 弁体
６２，６２ａ 永久磁石
６８，７６ 磁性体金属
７４ ルビーの球

Claims (6)

1. 流体通路となる孔を有する弁座と、この孔を塞ぐ形状をもつ弁体とを備え、前記弁体が孔を閉塞することにより弁体側から弁座方向への流体の逆流を防ぐ逆止弁において、
   前記弁体は磁性体により又は磁性体を内包したものにより構成されており、前記弁座側に永久磁石が配置されて前記弁体を弁座に着座させる方向に磁気力が作用しており、
   前記磁気力の強さはこの逆止弁がポンプの吸入側に配置されるものである場合はポンプの吸引時にシリンダ内に発生する負圧によって生じる入口側の弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く、この逆止弁がポンプの吐出側に配置されるものである場合はポンプの吐出時に発生する正圧によって生じる出口側の弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く設定されていることを特徴とする逆止弁。
2. 流体通路となる孔を有する弁座と、この孔を塞ぐ形状をもつ弁体とを備え、前記弁体が孔を閉塞することにより弁体側から弁座方向への流体の逆流を防ぐ逆止弁において、
   前記弁体は永久磁石により又は永久磁石を内包したものにより構成されており、前記弁座側に磁性体が配置されて前記弁体を弁座に着座させる方向に磁気力が作用しており、
   前記磁気力の強さはこの逆止弁がポンプの吸入側に配置されるものである場合はポンプの吸引時にシリンダ内に発生する負圧によって生じる入口側の弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く、この逆止弁がポンプの吐出側に配置されるものである場合はポンプの吐出時に発生する正圧によって生じる出口側の弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く設定されていることを特徴とする逆止弁。
3. 流体通路となる孔を有する弁座と、この孔を塞ぐ形状をもつ弁体とを備え、前記弁体が孔を閉塞することにより弁体側から弁座方向への流体の逆流を防ぐ逆止弁において、
   前記弁体は永久磁石により又は永久磁石を内包したものにより構成されており、前記弁座側には永久磁石が弁体側の永久磁石と引き合う方向に配置されて前記弁体を弁座に着座させる方向に磁気力が作用しており、
   前記磁気力の強さはこの逆止弁がポンプの吸入側に配置されるものである場合はポンプの吸引時にシリンダ内に発生する負圧によって生じる入口側の弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く、この逆止弁がポンプの吐出側に配置されるものである場合はポンプの吐出時に発生する正圧によって生じる出口側の弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く設定されていることを特徴とする逆止弁。
4. 流体通路となる孔を有する弁座と、この孔を塞ぐ形状をもつ弁体とを備え、前記弁体が孔を閉塞することにより弁体側から弁座方向への流体の逆流を防ぐ逆止弁において、
   前記弁体は永久磁石により又は永久磁石を内包したものにより構成されており、前記弁体を挟んで前記弁座と反対側に永久磁石が弁体の永久磁石と反発し合う方向に配置されて前記弁体を弁座に着座させる方向に磁気力が作用しており、
   前記磁気力の強さはこの逆止弁がポンプの吸入側に配置されるものである場合はポンプの吸引時にシリンダ内に発生する負圧によって生じる入口側の弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く、この逆止弁がポンプの吐出側に配置されるものである場合はポンプの吐出時に発生する正圧によって生じる出口側の弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く設定されていることを特徴とする逆止弁。
5. 前記磁気力の強さは、ポンプ内に空気が介在した状態でポンプ駆動したときにその空気が弁体を弁座から引き離そうとする力よりも弱く設定されている請求項１から４のいずれかに記載の逆止弁。
6. プランジャーの往復動により流体の吸入と吐出を行なうポンプ室と、このポンプ室の吸入側と吐出側にそれぞれ配置され流体の逆流を防ぐ逆止弁とを備え、前記逆止弁として請求項１から５のいずれかに記載の逆止弁を用いたことを特徴とする送液ポンプ。
   

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