JP2006526101A - 統合されたポンプ及びセラミックバルブ - Google Patents

Abstract

容積形ポンプ及びシール関係で配置された平らな面を有するセラミックローター及びセラミックステーターで構成されたセラミックバルブ構造を備えるポンプ装置が提供される。容積形ポンプは、ハウジング内に往復運動するピストンを備え、ハウジングは、このピストンから離れた内壁を有する。ピストンの位置とローターの位置は、ステーターを通じて所望の流体流れをもたらすように制御されている。

Description

本発明は、個別の液体容積を該液体容積の使用ポイントに汲み上げるための統合されたポンプ及びセラミックバルブ装置に関する。より詳細には、本発明は、個別の液体容積を使用ポイントに汲み上げるための統合された容積形ポンプ及びセラミックバルブに関する。

現在では、個別の液体容積は、筒部、筒部内で動く表面シール及び該表面シールに取り付けられた往復プランジャを備えるシリンジポンプで汲み上げられる。シリンジポンプは、汲み上げられた液体容積を使用ポイントに導く高分子化合物で形成されたバルブ構造を有する。このバルブ構造は、中空で本質的に円錐形の内面を有し、その中に、接合する本質的に円錐形のローターが圧入される。ローターは、液体通路を設けられており、シリンジポンプへの液体の流れ及びシリンジポンプからの液体の流れを制御し、またポンプ入口とポンプ出口の間のシールを提供する。ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）やテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）などの有機溶剤及び希釈剤が、汲み上げられる液体を形成するのに利用されることがあるので、バルブローターは、一般に膨張し、これは、バルブローターを劣化させる。また、より高い圧力はバルブローターの回転の障害を増すので、円錐形状のシールの使用は、所望のシールを保持する間、液体が汲み上げられる圧力を制限する。また、高圧でのコールドフローになりがちであるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などバルブへの高分子材料の使用により、作用圧力は制限される。

入手可能なシリンジポンプは、意図された用途に対して有益であるが、また不利益を有する。筒部と表面シールとの間の緻密な嵌合を得るために、筒部と表面シールの双方の製造は、厳格な許容差で行わなければならない。さらに、もっとも一般的に使用される、ガラス製筒部及びＰＴＦＥ製表面シールを備える部品を利用すると、望ましくないＰＴＦＥの脱落が発生し、それは、汲み上げられる液体を汚染する。さらに、筒部と表面シールとの間の緻密な嵌合は、表面シールが筒部内で移動する間の表面シールのチャタリングに帰着する。このことは、汲み上げられる液体容積のコントロールの損失につながる。さらに、現在入手可能なシリンジポンプの平均有効寿命は、略１０サイクル乃至略１００，０００サイクルに過ぎない。

従って、１，０００，０００サイクル以上の長い期間繰り返し可能な方法で、サンプルトレーの種々の領域などの使用ポイントに個別の液体容積を送出できるポンプ装置を設けることが望ましい。さらに、現在入手可能なシリンジポンプに対する標準な作用圧力を超える圧力での使用を可能にするポンプ装置を設けることが望ましい。さらに、汲み上げている間、高分子の粒子の脱落を防ぐポンプ装置を設けることが望ましい。さらには、内部シールが定期的に洗浄されることができるポンプを設けることが望ましい。

本発明は、（ａ）筒部内に収容されたピストンと、高圧シールと、筒部内部でピストンを往復運動させるための手段とから成る液体変位エレメントを有する容積形ポンプと、（ｂ）セラミックローターと、接合するセラミックステーターのシール面が平らであるセラミックバルブとを備えるポンプ装置を提供する。従来のマイクロプロセッサーを有するコントロール装置が、バルブローターとピストン位置の同期運動に提供される。その結果、ピストンがセラミックバルブの方へ動くときに筒部の中の液体が使用ポイントに送出され、ピストンがセラミックバルブから離れる方向に動くときに液体が筒部に供給される。その動くピストンは、筒部の内面から離れて配置されており、そのため、ポンピング中、ピストンと筒部との間の摩擦力は防止される。セラミックバルブに平らなセラミックシール面を提供することにより、液体が汲み上げられる有効な圧力は、現在入手可能なシリンジポンプの有効ポンプ圧を超えることができる。

図１及び図２を参照すると、本発明のポンプ装置１０は、ステッパーモーター、送りネジ、ロータリーソレノイドなどの線運動をもたらすモーター１４と、回転をもたらすモーター１６用のハウジング１２を有する。モーター１４は、固定あるいは自己調心スプリングドライブにすることができるアーム２０を介して、ローター／ステーターカップリング１８に連結されている。ローター／ステーターカップリング１８は、スプリング２４によってセラミックローター２２に偏倚されている。ステーターの平らで磨きのかかった面２８及びローターの平らで磨きのかかった面３０において、ローター２２は、セラミックステーター２６に対してシールされている。セラミックローター２２及びセラミックステーター２６は、酸化アルミニウム、酸化ジルコニア、酸化シリカ、酸化タンタルあるいは同様なもので形成されることができる。接合面２８，３０は、従来のラッププロセスなどによって平らにされている。接合面２８，３０が平らであるので、円錐形状のローター及びステーターと比較して、与えられた圧力での著しく小さいトルク力がローターの回転をもたらすのに必要とされる。

ステーター２６は、ハウジング３２内に配置されている。このハウジング３２は、アクリル樹脂、ポリエーテルケトンなどの汲み上げられる液体に抵抗力のある不透明あるいは透明な材料で形成されることができる。ハウジング３２は、単一の部品あるいは複数の連結された要素にすることができる。ピストン３４は、サファイア、ガラス、セラミックあるいは同様なものから形成されることができ、ハウジング３２の内壁３８から離れている。ピストン３４がこのように配置されている場合、ポンプの使用中、ピストン３４の単一のストロークは、ピストンの直径及びストロークの長さに基づいて液体の知られた容積を送出する。図１に示されるように、ステーター２６及びピストン３４のハウジング３２は、単一の要素で形成されることができる。この単一の要素のハウジングの供給は、本発明のバルブと容積形ポンプを、該ポンプ及びバルブの有効寿命が終えた後に同時に取り替えることができるという利点を提供する。

モーター１６は、プーリー４１、ギア４２，４４，４６及びギアトラック４８を介してギアボックス４０を往復運動させる。ギアボックス４０は、トラック４７の範囲内で位置づけられており、トラック４７は、何行程も繰り返し可能な直線経路でピストン３４を移動させる。図１に示されるように、ポンプのストロークは、位置５０から位置５２まで変化し、それは典型的に略１，５インチから２，０インチまでにすることができる。ピストン３４を直線経路で往復運動させるあらゆる従来の作動装置が本発明に利用されることができるということを理解されるべきである。

ピストン３４は、シール５６及び随意的にルーロンガイド（roulon guide）５８の内側に配置されている。シール５６は、例えば、超高度分子量ポリエチレンまたは同類のもので形成されることができる。ルーロンガイドは、ピストン３４をシール５６の中へ整合する。ピストン３４は、シール５６及びルーロンガイド５８の内側で往復運動する。ピストン３４は、フェルール６０の中に固定配置されており、そして、フェルール６０はノブ６４によってアーム６２の内側に固定されている。

図２、図３及び図４に示されるように、ステーター２６は、ヘッド２６の流体入口６６及びヘッド２６の流体出口６８と流体連通する。流体は、ピストン３４がステーター２６から離れる方向に動く時に、流体入口６６を通じてハウジング３６の中に導入される。流体は、ピストン３４がステーター２６の方に動く時に、流体出口６８を通過される。ステーター２６は、流体通路７０，７２，７４を有する。流体通路７０が位置８２にあるようにローター２２（図５）が回転されると、流体は、流体通路７０から流体通路７４に通過し、ハウジング３６の中に進入する。流体通路が位置８４にあるようにローター２２（図５）が回転されると、流体は、ハウジング３６から流体通路７４を通り、そして流体通路７２を通って使用ポイント（図示せず）まで通過する。

図７を参照すると、自己調心スプリングドライブであるローター／ステーターカップリング１８が示されている。カップリング１８は、スプリングハウジング８６とスプリング８８を有する。スプリング８８は、スロット９２内で移動可能であるピン９０を押圧する。一方、ピン９０は、ローター２２のスロット９６の中に嵌合するピン９４を押圧する。フランジ９８は、ローター２２のスロット１００の中に嵌合する。ハウジング８６は、
アーム２０（図１）のキー（図示せず）上に嵌るキー溝１０２によってアーム２０（図１）に連結されている。アーム２０が回転されると、その回転は、フランジ９８及びスロット１００を介してローター２２に伝達される。位置８２と位置８４（図５）の間で漏洩がないように、面２８と面３０との間で完全な平らな接合を有することが重要である。ここで使用されている用語“完全に平らな接合”に関しては、平らな面２８及び３０がそれらの間で部分的な接触をもたらすように分離していないということを意味する。ハウジング８６上のアーム２０が整合不良である場合でさえも、ピン９４がスロット９６の内部で回転し、それによって、その整合不良が修正されてローター２２の面３０に伝わらないので、この完全に平らな接合が保たれる。

図８を参照すると、本発明のポンプ装置１０２が示されており、そのハウジングがネジで接合された複数の部分で形成されている。ハウジング１０２は、ステーター２６を収容するための上部分１０４と、ピストンを収容するための中間部分１０６と、ピストン３４が貫通する底部分１０８とを備える。ハウジング１０２は、上部分１０４と中間部分１０６との間にシールをもたらすのに利用されることができるネジ付カラー１１０が提供されている。

図９を参照すると、内部シールの性能を有する本発明の実施例が示されている。底ハウジング部分１０８がネジによって中間ハウジング部分１０６に取り付けられている。底部分１０８は、ピストン（図示せず）が貫通するシール１１２，１１４が提供される。底部分１０８は、洗液が通過されることができる入口導管１１６及び出口導管１１８が提供される。この洗液は、シール１１２，１１４を洗浄すると共にハウジング部分１０６，１０８の内部を洗浄するのに使用され、それによって、その中に汲み上げられる液体から堆積物が蓄積するのを防止する。洗浄は、ピストン（図示せず）の上面が導管１１６，１１８より下方に達するときに行われることができる。

図１０を参照すると、電気リード線を有する回転ソレノイド１２０が示されている。モーター１４，１６は、共通の制御部（図示せず）に連結されており、そのため、ピストンは正確に配置され、上述したようにステーター２６及びローター２２を通る所望の流体流れを得る。電気リード線１２１，１２２は、ハウジング８６内に配置されたアーム１２３に連結されており、ハウジング８６の中にはピン９４が配置されている。ピン９４は、図７に関して上述された方法で、ステーター２６に対するローター２２の回転をもたらすように機能し、流体通路１２４を提供する。

図１は、本発明の容積形ポンプ及びセラミックバルブを示す側面図である。 図２は、図１に示す装置の前面図である。 図３は、本発明のセラミックバルブのステーターを示す前面図である。 図４は、図３に示すステーターの側面図である。 図５は、本発明のセラミックシールのローターを示す前面図である。 図６は、図５に示すローターの部分断面図である。 図７は、図１に示されたローター／ステーターカップリング１８の分解図である。 図８は、複数の部品から成るハウジングで作られた本発明の装置を示す断面図である。 図９は、洗浄手段を有する本発明を示す分解図である。 図１０は、本発明で使用されることができる回転ソレノイドを示す側面図である。

Claims (16)

1. ポンプ装置であって、
   第１のハウジング内に配置された往復運動可能なピストンを有する容積形ポンプを備え、
   前記第１のハウジングは、前記ピストンから離れて配置された内壁を有し、
   前記第１のハウジングの内部容積は、セラミックステーターへの流体入口及び該セラミックステーターからの流体出口に流体連通され、
   セラミックローター及び前記セラミックステーターは、第２のハウジング内に配置され、
   前記セラミックステーターは、第１の平らな面を有し、該第１の平らな面は、前記セラミックステーターの該第１の平らな面と接合配置された前記セラミックローターの第２の平らな面とシール関係にあり、
   前記セラミックローターは、前記セラミックステーターを通る流体の流れの方向を制御する流体通路を有し、
   前記ピストンの位置と前記セラミックローターの位置は、前記セラミックステーターを通じて所望の流体流れをもたらすように同期されていることを特徴とするポンプ装置。
2. 請求項１に記載のポンプ装置において、
   前記第１のハウジングと、前記第２のハウジングは、単一の要素で形成されていることを特徴とするポンプ装置。
3. 請求項１に記載のポンプ装置において、
   前記セラミックステーターと、前記セラミックローターは、酸化アルミニウムで形成されていることを特徴とするポンプ装置。
4. 請求項２に記載のポンプ装置において、
   前記セラミックステーターと、前記セラミックローターは、酸化アルミニウムで形成されていることを特徴とするポンプ装置。
5. 請求項１に記載のポンプ装置において、
   前記ハウジングは、透明な材料で形成されていることを特徴とするポンプ装置。
6. 請求項２に記載のポンプ装置において、
   前記ハウジングは、透明な材料で形成されていることを特徴とするポンプ装置。
7. 請求項１に記載のポンプ装置において、
   前記ピストンは、サファイアで形成されていることを特徴とするポンプ装置。
8. 請求項２に記載のポンプ装置において、
   前記ピストンは、サファイアで形成されていることを特徴とするポンプ装置。
9. 請求項３に記載のポンプ装置において、
   前記ピストンは、サファイアで形成されていることを特徴とするポンプ装置。
10. 請求項４に記載のポンプ装置において、
    前記ピストンは、サファイアで形成されていることを特徴とするポンプ装置。
11. 請求項５に記載のポンプ装置において、
    前記ピストンは、サファイアで形成されていることを特徴とするポンプ装置。
12. 請求項６に記載のポンプ装置において、
    前記ピストンは、サファイアで形成されていることを特徴とするポンプ装置。
13. 請求項１に記載のポンプ装置において、
    前記セラミックローターは、自己調心カップリングを介して、ローターの回転をもたらすためのモーターに連結されており、
    前記自己調心カップリングは、前記ローターが回転されているとき及び回転していないときに前記第１の平らな面と前記第２の平らな面との間に完全に平らな接合をもたらすことを特徴とするポンプ装置。
14. 請求項１に記載のポンプ装置において、
    前記ポンプ装置は、前記ハウジングの内部を定期的に洗浄する手段を備えることを特徴とするポンプ装置。
15. 請求項１３に記載のポンプ装置において、
    前記ポンプ装置は、前記ハウジングの内部を定期的に洗浄する手段を備えることを特徴とするポンプ装置。
16. 請求項１，２，１３，１４又は１５に記載のポンプ装置において、
    前記ローターは、回転ソレノイドで回転されることを特徴とするポンプ装置。

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