JP2007239780A

JP2007239780A - 摺動式切換バルブ

Info

Publication number: JP2007239780A
Application number: JP2006059470A
Authority: JP
Inventors: Hideyuki Morikawa; 秀行森川
Original assignee: Uniflows Co Ltd
Current assignee: Uniflows Co Ltd
Priority date: 2006-03-06
Filing date: 2006-03-06
Publication date: 2007-09-20

Abstract

【課題】流体の乱れを生じることのない微細径の流路を容易かつ低コストで実現することができる摺動式切換バルブを提供する。
【解決手段】固定部材(10)と、固定部材(10)の面に当接して摺動する摺動面(43)を有した摺動部材(42)と、固定部材(10)を貫通して配設され、摺動部材(42)の摺動面(43)に端面をそれぞれ当接させた複数本の配管パイプ(20)と、を備え、摺動部材(42)には、摺動面(43)と共に変位して各配管パイプ(20)の端面を選択的に接続する接続路(44)を形成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体（気体、液体、粉体）の流れの開閉、流路の切り換え、サンプルの流路への導入等に適用される摺動式切換バルブに関する。

図８は、従来のこの種の摺動式切換バルブの構成を例示した断面図である。この摺動式切換バルブは、複数の配管パイプ１０１がそれぞれ配管ジョイント１０２を介して取り付けられたステータ１０３と、フランジ部１０４ａにロータシール部材１０５を取り付け、皿バネ１０６の付勢力によって該ロータシール部材１０５の摺動面１０５ａをステータ１０３の内面に押圧当接させたロータ軸１０４と、スラストベアリング１０７を介してロータ軸１０４を回転可能に支持するケーシング１０８と、を備えている。

上記ステータ１０３の内面には、配管パイプ１０１の配設個数（この例では７個）に対応した数の連通穴１０９が形成されている。上記各連通穴１０９は、上記ロータシール部材１０５の摺動面１０５ａに対して図９に示すように配列している。すなわち、各連通穴１０９の内の１本は、ロータ軸１０４の軸線上に位置し、また他の６本の連通穴１０９は、該軸線を中心とする円周上に等角度間隔で位置している。そして、上記各連通穴１０９には、上記各配管パイプ１０１の先端がそれぞれ突き当て接続されている。
一方、上記ロータシール部材１０５の摺動面１０５ａには、中央部の連通穴１０９を周囲の連通穴１０９のいずれかに連通させるための溝１０５ｂが形成されている。

ロータ軸１０４が駆動装置１１０によって回転駆動されると、上記ロータシール部材１０５の溝１０５ｂがロータ軸１０４の軸線を中心として旋回変位する。したがって、この摺動式切換バルブによれば、ロータ軸１０４を回動することによって、上記中央部の連通穴１０９に接続された配管パイプ１０１と上記周囲の各連通穴１０９に接続された各配管パイプ１０１とを選択的に連通させることができる（非特許文献１参照）。

株式会社ユニフローズ、「小型自動切換バルブ」、[平成17年11月5日]検索、インターネット＜URL: HYPERLINK "http://www.uniflows.co.jp/" http://www.uniflows.co.jp/＞

上記従来の切換バルブは、流路径（配管径）が０．５ｍｍ以上のものが主である。この従来の切換バルブをマイクロＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフィー）やマイクロチップ（ガラス、プラスチック、シリコン等の基板に微細な溝を加工したチップ）に接続して使用するためには、その流路径を０．１ｍｍ以下にする必要がある．
しかし、硬度の高い材料で形成された上記ステータ１０３に、０．１ｍｍ以下の微細径の深穴をあけて上記連通穴１０９を形成することは非常に困難であり、また、その加工コストも相当に嵩むことになる。

さらに、０．１ｍｍ以下という微細径の連通穴１０９と配管パイプ１０１の孔とを隙間なく突き当て接続することや、配管パイプ１０１の孔と連通穴１０９が同芯状に位置されるように連通穴１０９を加工することは困難であるため、連通穴１０９と配管パイプ１０１の接続部における不整合のために、小さなうずや滞留が生じることが多い。それゆえ、ナノリットル／分からマイクロリットル／分という微少流量の流体を分析する分析装置に上記従来の切換バルブを適用した場合、分析の分解能が低下するという重大な問題を生じるおそれがある。
なお、上記従来の切換バルブは、配管ジョイント１０２を使用するため、この配管ジョイント１０２が小型化を図る上の支障になるという欠点も有する。

そこで、本発明は、流体の乱れを生じることのない微細径の流路を容易かつ低コストで実現することができる摺動式切換バルブを提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、固定部材と、前記固定部材の面に当接して摺動する摺動面を有した摺動部材と、前記固定部材を貫通して配設され、前記摺動部材の摺動面に端面をそれぞれ当接させた複数本の配管パイプと、を備え、前記摺動部材には、前記摺動面と共に変位して前記複数本の配管パイプの端面を選択的に接続する接続路を形成した構成を有する。

前記接続路は、前記摺動面に設けられた凹溝によって、あるいは、前記摺動部材内を通って前記摺動面に一端および他端が開口する通路で形成することができる。

１つの実施形態では、前記固定部材の面および前記摺動部材の摺動面を平坦に形成し、前記摺動部材の摺動面を前記固定部材の面に直交する軸線を中心として回転させるように構成している。
この場合、前記複数本の配管パイプを束ね合わせた状態で前記固定部材に貫通させ、その貫通部において前記各配管パイプ相互間および該各配管パイプと前記固定部材との間の隙間をシールすることができる。

他の実施形態では、前記固定部材の面および前記摺動部材の摺動面を共通の中心軸線を有する円周面で形成し、前記摺動部材の摺動面を前記軸線を中心として回転させるように構成している。

本発明によれば、微細な流路径（例えば、０．１ｍｍ以下）が要求される場合でも、この微細な流路径をもつ深孔を加工する必要がないので、製造の容易化と低コスト化を図ることができる。しかも、上記深孔に配管パイプを突き合わせ接続させる構造を有さないので、その接続部における両者の不整合（芯ずれ等）に起因した流体の乱れを生じるおそれがない。
また、配管ジョイントを使用しないので、複数の配管パイプを密着配置して小型化を図ることが可能になるとともに、流路切り換え用の摺動面を小さくして、流路切り換えのための駆動力の低減、ならびに、流路切り換え用駆動源の小型化を図ることが可能になる。

図１は、本発明に係る摺動式切換バルブの一実施形態を示す断面図である。この図１において、ステータ１０の中央部には、後述するロータ軸４０の軸線上に位置する形態で孔１１が貫通形成され、この孔１１に複数本（この実施の形態では７本）の配管パイプ２０が挿入されている。すなわち、キャピラリーパイプ等からなる各配管パイプ２０は、相互が密着するように束ね合わされ、かつ、それらの先端面がステータ１０の内面１２と面一となるように上記孔１１に挿入されている。

ステータ１０の内面１２は、平坦に形成され、かつ後記するロータ軸４０の軸線に直交するように設けられている。
図１のＡ−Ａ断面図である図２に示すように、各配管パイプ２０相互間に形成された隙間および該各配管パイプ２０と孔１１との間に形成された隙間には、例えば接着剤３０が充填され、これにより、上記各隙間が塞がれてシールされるとともに、各配管パイプ２０が孔１１に固着される。なお、モールド処理、ロウ付処理、あるいは溶着処理等によって各パイプ２０を孔１１に隙間なく結合固定しても良い。なお、図２における中央の配管パイプ２０は、前記ロータ軸４０の軸線上に位置している。

ロータ軸４０は、ベアリング（スラストベアリング）５１およびベアリング５２を介して、ケーシング６０に回動可能かつ軸方向移動可能に支持されている。このロータ軸４０は、先端にフランジ部４１を備え、このフランジ部４１の前面中央部にプラスチック等からなる円形のロータシール部材４２を取り付けてある。
ロータシール部材４２は、前端部を除く部位がフランジ部４１に埋設される形態で、かつ、その中心軸線がロータ軸４０の軸線上に位置する形態で固定支持されている。このロータシール部材４２の先端には、ステータ１０の内面１２に当接する摺動面４３が形成されている。摺動面４３は、平坦に研磨されかつ図３に示すような凹溝４４を形成している。
溝４４は、摺動面４３の中心から半径方向に伸びる形態で形成され、その長さは、図２に示した中央部の配管パイプ２０とその周囲の配管パイプ２０とを接続させ得る長さに設定されている。

ロータ軸４０は、そのフランジ部４１とベアリング５１間に配設された皿バネ７０の付勢力によって図１における左方向に付勢されている。したがって、上記ロータシール部材４２の摺動面４３は、ステータ１０の内面１２に押圧当接している。なお、駆動装置８０は、ロータ軸４０を回転駆動するものであり、例えばステッピングモータを動力源として備えている。

駆動装置８０によってロータ軸４０が回転駆動されると、ロータシール部材４２も一体回転する。したがって、ロータシール部材４２の摺動面４３は、ステータ１０の内面１２および上記各配管パイプ２０の端面上で摺動回転し、その結果、上記摺動面４３に設けられた溝４４がロータ軸４０の軸線を中心として旋回変位する。
そこで、図示していない制御装置によって駆動装置８０を制御して、ロータ軸４０の回転角を所望の角度に設定することにより、図２に示した中央部の配管パイプ２０とその周囲に位置した各配管パイプ２０の内の所望の１つとをロータシール部材４２の溝４４を介して連通接続することができる。そして、この連通接続後に中央部の配管パイプ２０に流体を流入させれば、該配管パイプ２０に選択接続された配管パイプ２０内にこの流体が流出し、逆に、この選択接続された配管パイプ２０に流体を流入させれば、該流体が中央部の配管パイプ１１内に流出することになる。

前記したように、ロータシール部材４２の摺動面４３は、皿バネ７０によってステータ１０の内面１２に向って付勢されている。したがって、摺動面４３は、ステータ１０の内面１２および各配管パイプ２０の端面に密着して、ロータ軸４０の回転中や停止中における流体の漏れを防止する。
上記ロータシール部材４２は、金属よりも硬度の低いプラスチック等で形成されているので、ステータ１０の内面１２に対する摺動面４３のなじみ性が高い。もちろん、ロータシール部材４２を使用しないで、ロータ軸４０の端面を直接摺動面４３として活用することも可能であるが、その場合、該端面およびステータ１０の内面１２を共に高い平坦性を持つように十分研磨加工する必要がある。

この実施形態に係る摺動式切換バルブによれば、ロータシール部材４２の摺動面４３に各配管パイプ２０の端面を当接させているので、ステータ１０に微細径の穴加工を施すことなく微細径（例えば、０．１ｍｍ以下）の流体通路を容易に実現することができる。しかも、上記流体通路の途中につなぎ目が存在しないので、このつなぎ目の不整合に起因した流体の渦や滞留を生じることなく、円滑に流体を流すことができる。したがって、ナノリットル／分からマイクロリットル／分という微少流量の流体を導入する分析装置にも有効に適用することが可能である。

また、この実施形態に係る摺動式切換バルブによれば、配管ジョイント（図８の符号１０２参照）を使用しないので、上記実施形態に示すように、複数の配管パイプ２０を束ねた状態で配置することができる。これは、小型化に寄与し、しかも、上記摺動面４３の必要面積を減少させることから、流路切り換えのための駆動力の低減、ならびに、駆動装置８０の小型化に寄与する。
更に、表面荒さを容易に小さくすることが可能な配管パイプ２０の端面を上記摺動面４３に当接させているので、上記表面荒さに起因する分析サンプルの吸着を低減する上で有利である。また、微細な深穴加工が不要であるから、製造コストも低減することができる。

上記配管パイプ２０の配置本数や上記凹溝４４の個数および形成位置は、必要とする切換パターンに応じて適宜変更される。例えば、図４に示すように、４本の配管パイプ２０を９０°間隔で配列した場合には、隣接する２つの配管パイプ２０相互を連通させ得る一対の弧状の凹溝４４'をロータシール部材４２の摺動面４３に形成することにより、実線で示す２組の連通形態と二点鎖線で示す２組の連通形態とを選択することができる。
なお、配管パイプ２０は、内径が０．００５ｍｍのものまで安価に入手することができる。

図１に示した実施形態では、接続すべき配管パイプ２０相互間に上記凹溝４４を介在させるようにしているが、この凹溝４４に代えて図５に示すような通路４５を用いても良い。通路４５は、ロータシール部材４２内を通って該部材４２の摺動面４３に一端および他端を開口させた構成を有する。通路４５の各開口間の距離は、上記凹溝４４の長さに相当しているので、該通路４５を介して中央部の配管パイプ２０とその周囲に位置した各配管パイプ２０とを選択的に接続することができる。もちろん、図４に示す凹溝４４'に代えて、上記通路４５に準じた通路を使用することも可能である。

図６は、本発明の第２の実施形態に係る態摺動式切換バルブを示す要部断面図である。この態摺動式切換バルブは、リング状のステータ９０と、このステータ９０の内方に回動可能に密嵌合させたロータ９１とを備えている。
ステータ９０には、４本の配管パイプ２０が９０°間隔で取り付けられている。各配管パイプ２０の先端部は、ステータ９０に密に貫通させることによって該ステータ２０に固定され、また、各配管パイプ２０の先端面は、ステータ９０の内周面と面一となるように加工されている。
ロータ９１は、その径方向に沿って貫通形成した通路９２を備え、図示していない駆動装置によって回動される。ロータ９１が回動されると、その外周面がステータ９０の内周面上で密接摺動することになる。したがって、ロータ９１の外周面は、図１に示したロータシール部材４２の摺動面４３に対応するバルブ摺動面を構成している。

この第２の実施形態においては、ロータ９１が図６の回動位置にあるとき、通路９２を介して左右の配管パイプ２０が連通接続される。そして、ロータ９１を図７に示すように９０°回動させると、通路９２を介して上下の配管パイプ２０が連通接続されることになる。
上記通路９２は、直線状のものに限定されず、配管パイプ２０の個数や配列間隔に応じてその形状を変更することができる。また、このような通路に代えて、図１に示す凹溝４４や図４に示す凹溝４４'と同様の機能を有する凹溝をロータ９１の周面に形成しても良い。

本発明に係る摺動式切換バルブの実施の形態を示す断面図である。図１のＡ−Ａ断面図である。ロータシール部材の摺動面に設けられる凹溝の一例を示す図である。ロータシール部材の摺動面に設けられる凹溝の他の例と、この溝に適用する配管パイプの配列形態を示す図である。図３の凹溝に代わる通路を例示した部分拡大図である。本発明に係る摺動式切換バルブの他の実施の形態を示す要部断面図である。図６のロータを９０°回動させた状態を示す断面図である。従来の摺動式切換バルブの断面図である。図８のバルブにおける切換接続動作を示す説明図である。

符号の説明

１０ステータ１１
１１孔
２０配管パイプ２０
３０接着剤
４０ロータ軸
４１フランジ部
４２ロータシール部材
４３摺動面
４４，４４' 凹溝
４５通路
５１，５２ベアリング
６０ケーシング
７０皿バネ
８０駆動装置
９０ステータ
９１ロータ
９２通路

Claims

固定部材と、
前記固定部材の面に当接して摺動する摺動面を有した摺動部材と、
前記固定部材を貫通して配設され、前記摺動部材の摺動面に端面をそれぞれ当接させた複数本の配管パイプと、を備え、
前記摺動部材には、前記摺動面と共に変位して前記複数本の配管パイプの端面を選択的に接続する接続路を形成したことを特徴とする摺動式切換バルブ。
前記接続路は、前記摺動面に設けられた凹溝によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動式切換バルブ。
前記接続路は、前記摺動部材内を通って前記摺動面に一端および他端が開口する通路で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の摺動式切換バルブ。
前記固定部材の面および前記摺動部材の摺動面を平坦に形成し、前記摺動部材の摺動面を前記固定部材の面に直交する軸線を中心として回転させるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の摺動式切換バルブ。
前記複数本の配管パイプを束ね合わせた状態で前記固定部材に貫通させ、その貫通部において前記各配管パイプ相互間および該各配管パイプと前記固定部材との間の隙間をシールしたことを特徴とする請求項４に記載の摺動式切換バルブ。
前記固定部材の面および前記摺動部材の摺動面を共通の中心軸線を有する円周面で形成し、前記摺動部材の摺動面を前記軸線を中心として回転させるように構成したことを特徴とする請求項１に記載の摺動式切換バルブ。