JP2005273865A - 弁とそれを用いた送液ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】
液密性も応答速度も安定し、弁座へのくっ付きも防ぐ。
【解決手段】
弁を閉にする場合、カム１６の回転によりリフト伝達体４４が押されて、球体８、芯出し用部品４４ａを経てダイヤフラム４０が撓み、弁座３４の液導入ロを塞ぐ。また、弁を開にする場合、カム１６の回転とコイルバネ４６の付勢力によりリフト伝達体４４が戻されて、ダイヤフラム４０の撓みも戻り、弁座３４の液導入ロが開く。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高圧流体用の逆止弁に適用するのに適する弁と、それを逆止弁として用いた送液ポンプ、特にプランジャーが往復動する往復型ポンプ（「プランジャーポンプ」という）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ポンプが使用されることが多い。液体クロマトグラフではプランジャーポンプにより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１次側（吸入側）と２次側（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従来の逆止弁は、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。）。
逆止弁によるシール機構は弁の１次圧（入口側）と２次圧（出口側）との差で弁体が弁座に押し付けられて液密になる構造になっている。補助的に２次側にスプリング等を設けて弁を押える力や応答の助けとしているものもある。
特開平７−１４５８７１号公報

従来の逆止弁を備えたプランジャーポンプでは、微少流量送液の場合、以下の問題が生じる。
（１）液密性の不安定さ：
上述の通り、シール機構は基本的には１次圧（入口側）と２次圧（出口側）との差で液密を保っており、圧力差によって弁を押える力が変化するため液密性が不安定である。また、弁が球形状なので高精度な球面加工が困難である。特に高圧、微少流量送液では弁からの微少漏れが流量精度に大きく影響する。圧力変動も大きくなり、安定した送液に支障がある。

（２）クローズ応答の不安定さ：
弁が閉じるスピードも１次圧（入口側）と２次圧（出口側）の差、流速、弁の個体差等で一定しない。またこれも圧力変動を大きくする要因であり、安定した送液に支障がある。

（３）弁の弁座へのくっ付き：
弁体のボールと弁座のボールシートは、使用する溶媒によっては、ボールがボールシートに食い込むようにくっ付く。

本発明の第１の目的は、液密性も応答速度も安定し、弁座へのくっ付きも防ぐことのできる弁を提供することである。
本発明の第２の目的は、安定した送液を行なうことのできる送液ポンプを提供することである。

本発明の弁では、弁体に外力を加えて弁座に押し付けることにより液密性を得る。また、弁体と弁座との接触を平坦面どうしの接触とすることにより両者のくっ付きを防ぐ。
本発明の弁の第１の局面は、流体通路となる孔をもち、その孔の開口の周囲が平坦な先端面となっている弁座と、表面が前記弁座の先端面と隙間をもって対向するように配置され、撓みに対して復元力をもつダイヤフラムと、先端部が前記ダイヤフラムの裏面に当接し前記ダイヤフラムを前記弁座先端面に着脱可能に押し当てて前記開口を開閉し、前記弁座から遠ざかる方向に付勢されているリフト伝達体と、前記リフト伝達体の基端部と当接し前記リフト伝達体を前記弁座の方向に往復移動させるカムとを備えている。
この局面ではダイヤフラムが弁体となる。
前記リフト伝達体はダイヤフラムと当接する先端部とカムと当接する基端部が別体として構成され、かつそれらの間が球体を介して連結されていることが好ましい。

本発明の弁の第２の局面は、流体通路となる孔をもち、その孔の開口の周囲が平坦な先端面となっている弁座と、先端に平坦面をもちその先端平坦面が前記弁座の先端面と隙間をもって対向するように配置され、板ばねにより支持されている弁体と、先端部が前記弁体の基端部と連結され、前記弁体を前記弁座先端面に着脱可能に押し当てて前記開口を開閉し、前記弁座から遠ざかる方向に付勢されているリフト伝達体と、前記リフト伝達体の基端部と当接し前記リフト伝達体を前記弁座の方向に往復移動させるカムとを備えている。
前記リフト伝達体の先端部と前記弁体の基端部との間には球体が介在していることが好ましい。

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、前記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、逆止弁として本発明の弁を使用したものである。

本発明の弁は弁体に外力を加えて弁座に押し付け、弁体と弁座とを平坦面どうしで接触させるので、弁の高液密性が要求される微少流量（ミクロ送液やナノ送液）でも使用が可能となる。
カムにより弁の開閉を駆動するので、カムの設計で任意のタイミングで弁の開閉ができるので、脈動（圧力変動）を小さくすることができる。

また、ボール弁体と弁座との組合せで問題となっていたボールくっ付きの問題を、弁体と弁座の接触面を平面にすることにより解決できる。
リフト伝達体から弁体までの間の連結部に球体を介在させれば、リフト伝達体の傾きを球体により吸収することができ、弁体と弁座との平面的な接触を確実なものとすることができる。
本発明の送液ポンプは逆止弁として本発明の弁を使用するので、安定した送液を行なうことができる。

図１は第１の実施例のプランジャーポンプを示す正面断面図であり、ダイヤフラム式の逆止弁を用いた例である。プランジャー部２の吸入側には逆止弁４が継ぎ手８で接続され、プランジャー部２の吐出側には逆止弁６が継ぎ手１０により接続されている。継ぎ手８，１０は図では簡略化して矢印で示されている。

プランジャー部２、逆止弁４，６は共通のカム軸１２に取りつけられたそれぞれのカム１４，１６，１８により駆動され、プランジャー部２が吸入工程では逆止弁４が開いて逆止弁６が閉じ、プランジャー部２が吐出工程では逆止弁４が閉じて逆止弁６が開く。２０はカム軸１２を駆動するモータであり、設定されたプログラムに従って制御装置（図示略）により回転が制御される。

プランジャー部２では、プランジャー２２がポンプ室２４のシリンダに対して前進と後退をするように往復動してポンプ室２４の容積を変化させることにより、液の吸入と吐出を行なう。プランジャー２２はポンプ室から後退する方向にバネ２６により付勢されており、プランジャー２２の基端部にはカム１４が当接して、カム１４の回転によりプランジャー２２が往復動する。

逆止弁４と逆止弁６は使用される場所によって流路の向きは異なることがあるものの、弁の構造は同じである。弁４について説明すると、金属製ブロック３０と３２が組み合わされ、シール部材５４により液密を保ってネジ５６により一体として組み立てられ、その内部に弁座３４と弁体としてのダイヤフラム４０からなる弁が構成されている。

弁座３４は流体通路となる孔３６をもち、上流側の送液流路につながる。弁座３４はその孔３６の開口（液導入口）の周囲が平坦な先端面３６となっている。弁座３４はＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）やポリテトラフルオロエチレンなどの樹脂製である。弁座３４はブロック３０にかしめられて固定されており、弁座３４とブロック３０と接触面の液密が保たれている。

弁体としてのダイヤフラム４０は、ステンレスなどの金属製で、撓みに対して復元力をもっている。ダイヤフラム４０は表面が弁座３４の先端面３６と隙間をもって対向するように配置され、ブロック３０と３２の間にガスケット４２により液密を保って固定されている。ダイヤフラム４０は弁座３４の先端面３６と接触する表面は平坦面であるが、その周囲は撓み易いようにふくらみが設けられている。

ガスケット４２は金や白金などの金属製で、延性をもち、被シール面とよく馴染むことができ、耐食性もある。金属製ガスケットは樹脂製ガスケットで問題となるクリープや、高内圧による変形の問題が少ない。

４４はリフト伝達体であり、カム１６から得られた変位量をダイヤフラム４０に伝達するものである。リフト伝達体４４は先端部がダイヤフラム４０の裏面に当接しダイヤフラム４０を弁座３４の先端面３８に着脱可能に押し当てて弁座３４の開口を開閉する。リフト伝達体４４はコイルバネ４６により弁座３４から遠ざかる方向に付勢されている。

リフト伝達体４４はダイヤフラム４０と当接する芯出し用部品としての先端部４４ａと、カム１６に当接する基端部が別体として構成され、それらの間が球体４８を介して連結されているので、リフト伝達体４４の傾きを球体４８により吸収することができ、ダイヤフラム４０と弁座３４との平面的な接触を確実なものとすることができる。

ブロック内部で弁座３４の周囲には流路パーツ５０が設けられており、流路パーツ５０は液体を出口側に導く流路を構成するとともに、弁内部のデッドスペースを小さくしている。
ブロック３２とリフト伝達体４４の間に設けられているシール部材５２は液漏れを防ぐためのものである。
ポンプの吐出側に接続されている弁６は、入口側の流路の向きを除けば弁４と同じ構造であるので、説明は省略する。

次に、この実施例の動作を説明する。
まず、逆止弁４の動作について説明するが、逆止弁６についても同じである。弁を閉にする場合、カム１６の回転によりリフト伝達体４４が押されて、球体８、芯出し用部品４４ａを経てダイヤフラム４０が撓み、弁座３４の液導入ロを塞ぐ。
また、弁を開にする場合、カム１６の回転とコイルバネ４６の付勢力によりリフト伝達体４４が戻されて、ダイヤフラム４０の撓みも戻り、弁座３４の液導入ロが開く。

次に、実施例のプランジャーポンプの動作について説明する。
（吸引工程）
（１）カム１４が上支点から下支点に変わりプランジャー２２がポンプ室２４のシリンダ内を後退する。
（２）それと同時に吸入側の逆止弁４のカム１６が下支点に変わり、その弁のダイヤフラムが復元して弁が開き、液体が吸引される。
（３）それと同時に吐出側の逆止弁６のカム１８が上支点に変わり、その弁のダイヤフラムが弁座に押されて、液体が漏れるのを防ぐ。

（吐出工程）
（１）カム１４が下支点から上支点に変わりプランジャー２２がポンプ室２４のシリンダ内を前進する。
（２）それと同時に吸入側の逆止弁４のカム１６が上支点に変わり、その弁のダイヤフラムが弁座に押されて、液体が漏れるのを防ぐ。
（３）それと同時に吐出側の逆止弁６のカム１８が下支点に変わり、ダイヤフラムが復元して弁が開き、液体が吐出される。

図２はフラットパネル式の逆止弁を使用した第２の実施例であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）は弁で使用されている板ばねを示す平面図である。図１の実施例と同一の部分には同一の符号をつける。
プランジャー部２、カム軸１２、カム１４，１６，１８、モータ２０及び制御装置（図示略）は図１のものと同一である。逆止弁３，５だけが図１の実施例と異なる。
逆止弁３と逆止弁３は使用される場所によって流路の向きは異なることがあるものの、弁の構造は同じである。

ポンプの吸入側に接続された弁３について説明すると、金属製ブロック３０と３２が組み合わされ、シール部材５５により液密を保ってネジ５６により一体として組み立てられ、その内部に弁座３４と弁体４１からなる弁が構成されている。
弁座３４は図１のものと同じであり、かしめられてブロック３１に固定され、ブロック３１との間に液密が保たれている。

弁体４１は金属製であり、先端に平坦面をもちその先端平坦面が弁座３４の先端面３８と隙間をもって対向するように配置され、板ばね４３により支持されている。板ばね４３は（Ｂ）に示されるように隙間のある構造をしており、その隙間を液が流れることができる。板ばね４３は弁体４１を弁座３４と隙間をもった位置に支持し、弁体４１を弁座３４の方向に押す力がなくなったときは復元して弁体４１を弁座３４から離す。
弁体４１の基端部はブロック３３と一体になったダイヤフラム３５と当接している。

リフト伝達体４５は先端部が球体４９とダイヤフラム３５を介して弁体４１の基端部と連結され、弁体４１を弁座３４の先端面３８に着脱可能に押し当てて開口を開閉する。
リフト伝達体４５の基端部にはカム１６が当接し、カム１６の回転によりリフト伝達体４５が弁座３４の方向に往復動する。

この実施例でも球体４９を介してリフト伝達体４５が弁体４１に連結されているので、リフト伝達体４５の傾きを球体４９により吸収することができ、弁体４１と弁座３４との平面的な接触を確実なものとすることができる。
ブロック内部で弁体４１の周囲には流路パーツ５０が設けられており、流路パーツ５０は液体を出口側に導く流路を構成するとともに、弁内部のデッドスペースを小さくしている。
ポンプの吐出側に接続されている弁５は、入口側の流路の向きを除けば弁３と同じ構造であるので、説明は省略する。

次に、この実施例の動作を説明する。
まず、逆止弁３の動作について説明するが、逆止弁５についても同じである。弁を閉にする場合、カム１６の回転によりリフト伝達体４５が押されて、球体９を経てブロック３３のダイヤフラム３５が撓み、弁体４１が押されて弁座３４の液導入ロを塞ぐ。

また、弁を開にする場合、カム１６の回転とコイルバネ４７の付勢力によりリフト伝達体４５が戻されて、ダイヤフラム３５の撓みも戻り、板ばね４３により弁体４１が戻り、弁座３４の液導入ロが開く。

次に、実施例のプランジャーポンプの動作について説明する。
（吸引工程）
（１）カム１４が上支点から下支点に変わりプランジャー２２がポンプ室２４のシリンダ内を後退する。
（２）それと同時に吸入側の逆止弁３のカム１６が下支点に変わり、その弁の弁体が板ばねの力で弁座から離されて弁が開き、液体が吸引される。
（３）それと同時に吐出側の逆止弁５のカム１８が上支点に変わり、その弁の弁体が弁座に押されて、液体が漏れるのを防ぐ。

（吐出工程）
（１）カム１４が下支点から上支点に変わりプランジャー２２がポンプ室２４のシリンダ内を前進する。
（２）それと同時に吸入側の逆止弁４のカム１６が上支点に変わり、その弁の弁体が弁座に押されて、液体が漏れるのを防ぐ。
（３）それと同時に吐出側の逆止弁６のカム１８が下支点に変わり、その弁の弁体が板ばねの力で弁座から離されて弁が開き、液体が吐出される。

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正面断面図である。 プランジャーポンプの他の実施例を示す図であり、（Ａ）は正面断面図、（Ｂ）はそこで使用されている板ばねを示す平面図である。

符号の説明

２ プランジャー部
３，４，５，６ 逆止弁
１２ カム軸
１４，１６，１８ カム
２２ プランジャー
３４ 弁座
３６ 流体通路となる孔
３８ 弁座の先端面
４０ ダイヤフラム
４１ 弁体
４３ 板ばね
４４，４５ リフト伝達体
４６，４７ コイルバネ
４８，４９ 球体

Claims (5)

1. 流体通路となる孔をもち、その孔の開口の周囲が平坦な先端面となっている弁座と、
   表面が前記弁座の先端面と隙間をもって対向するように配置され、撓みに対して復元力をもつダイヤフラムと、
   先端部が前記ダイヤフラムの裏面に当接し前記ダイヤフラムを前記弁座先端面に着脱可能に押し当てて前記開口を開閉し、前記弁座から遠ざかる方向に付勢されているリフト伝達体と、
   前記リフト伝達体の基端部と当接し前記リフト伝達体を前記弁座の方向に往復移動させるカムとを備えたことを特徴とする弁。
2. 前記リフト伝達体はダイヤフラムと当接する先端部とカムと当接する基端部が別体として構成され、それらの間が球体を介して連結されている請求項１に記載の弁。
3. 流体通路となる孔をもち、その孔の開口の周囲が平坦な先端面となっている弁座と、
   先端に平坦面をもちその先端平坦面が前記弁座の先端面と隙間をもって対向するように配置され、板ばねにより支持されている弁体と、
   先端部が前記弁体の基端部と連結され、前記弁体を前記弁座先端面に着脱可能に押し当てて前記開口を開閉し、前記弁座から遠ざかる方向に付勢されているリフト伝達体と、
   前記リフト伝達体の基端部と当接し前記リフト伝達体を前記弁座の方向に往復移動させるカムとを備えたことを特徴とする弁。
4. 前記リフト伝達体の先端部と前記弁体の基端部との間には球体が介在している請求項３に記載の弁。
5. 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、前記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送液ポンプにおいて、
   前記逆止弁として請求項１から４のいずれかに記載の弁を使用したことを特徴とする送液ポンプ。
   

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