JP2010519484A - 選択弁 - Google Patents

Abstract

異なる構成要素を弁の異なる回転位置で選択することができ、更に、回転弁を回すことにより、構成要素を通る流れを逆転させることができる回転選択弁。
【選択図】図８

Description

本発明は、弁に、より具体的には、複数の入口／出口ポートのセットから所望の入口／出口ポートのセットを選択するための回転弁に関する。

弁は、流体の輸送を伴う装置に広く用いられている。例えば、液体クロマトグラフィーシステム（ＬＣＳ）の様な中間サイズの実験システムに用いられる代表的な型式の弁は、回転弁である。

一般的に、回転弁は、ここでは固定子と呼ばれる静止した本体を有しており、同固定子は、ここでは回転子と呼ばれる回転する本体と協働する。
固定子には、数多くの入口及び出口ポートが設けられている。ポートは、穴を介して、内側固定子面上の対応するオリフィスのセットと流体連通している。内側固定子面は、回転子の内側回転子面と流体密封接触している固定子の内側面である。回転子は、通常、円盤として形成されており、内側回転子面は内側固定子面に押し付けられて、回転的に協働している。内側回転子面には、１つ又は複数の溝が設けられており、同溝は、固定子に対する回転子の回転位置に依って異なるオリフィスと相互接続している。

回転弁は、高圧（例えば、３０Ｍｐａを超える圧力）に耐えるように設計することができる。それらは、ステンレス鋼、高性能高分子材料、及びセラミックの様な或る範囲の材料で作ることができる。

入口／出口の数、並びに回転子又は固定子の溝の設計は、意図する特定の弁の用途を反映している。
一般的な型式の多目的弁は、１つの入口ポート（通常、弁の回転軸に配置されている）と、入口ポートの周りに等距離に配置されている多数の出口ポートとを有している。回転子は、一端が回転中心にある１つの半径方向に伸張する溝を有しているので、常に入口に接続されており、他方の端部は、固定子に対する回転子の角度位置に依って、出口の何れか１つと接続されている。その様な弁は、流れを、入口から一度に１つの何れかの出口へ送るのに有用である。各構成要素が入口と出口を有する、構成要素のセットの１つを選択するには、別の型式の弁が用いられる。その例は、図１に示されている、Valco Instruments社から販売されている６ポートのＳＴ弁である。

ここでは毛管ループとして描かれている４つの構成要素１２１−１２４は、弁の固定子に接続されていてもよい。弁固定子は、更に、入口ポート１３２と出口ポート１３１を有している。弁回転子は、２つの溝１２５、１２６を有している。入口ポート１３２と流体連通している外側溝１２５は、選択された構成要素１２４の端部１２７に接続されている、半径方向内向きに伸張する部分を有している。同時に、出口ポート１３１と流体連通している内側溝１２６は、選択された構成要素１２４の他方の端部１２８に接続されている、半径方向外向きに伸張する部分を有している。

従って、ユーザーは、流れを、選択された構成要素を通して送ることができ、その間、それ以外の構成要素は、弁の入口／出口から隔離されている。弁を通る流れの方向が常に同じであれば、各構成要素を通る流れの方向は、それが弁にどの様に接続されているかによって決まる。

しかしながら、時には、ユーザーは、構成要素を通る流れの方向を変えたくなる。例えば、その構成要素がクロマトグラフィーカラムである場合は、時には、カラムに１つの方向に装填し、その後、逆転させた流れの方向を使って、捕捉した内容物を溶出させるのが望ましい。上に述べたものと同様の先行技術の弁を使えば、後で、流れ方向変換弁の様な追加手段を使って、流れの方向を変える必要がある。

本発明の目的は、更に使い易い改良された構成要素選択弁を提供することである。
この目的は、本出願の請求項１による弁で達成される。従って、構成要素選択機構と流れ逆転機構の両方を有する１つの単一弁が提供されている。

先行技術の選択弁の概略図である。 回転弁の概略側面図である。 本発明の１つの実施形態による弁固定子の前面を示している。 図３の固定子の内側固定子面を示している。 本発明の１つの実施形態による内側固定子面のオリフィスの角度分布を示している。 本発明の１つの実施形態による回転子の内側回転子面を示している。 図６の回転子の溝の位置を示している。 第１回転子位置の概略図である。 第２回転子位置の概略図である。 第３回転子位置の概略図である。 本発明の１つの実施形態による、弁に接続されている５つの構成要素の概略図である。

代表的な回転弁の主要部品を、図２に概略的に示している（ブラケット又は同様の荷重担持又は締結要素は図示せず）。回転弁１０は、固定子１１と、回転子１２と、自体の角度位置を認識するための手段（図示せず）を随意的に設けることができる回転軸１３と、通常はギアボックスとモーター（弁を手動で作動させることもできるが）を備えている駆動ユニット１４と、を有している。回転子は、固定子に対して、弁の回転軸ＲＡ周りに回転させることができる。

組み込まれている器具に対して固定される固定子１１には、流体源、及び弁が協働する全ての構成要素と流体連通するためのポート（図２には図示せず）が設けられている。ポートは、固定子の外側面の何れの適した位置にでも配置することができる。ポートには、毛管又は配管に接続する手段が設けられている。その様な手段は、当業者には周知の、従来型Valco継手の様な、どの様な適した型式であってもよい。ポートは、内側固定子面１１ａ、即ち、作動中は回転子１２と接触している固定子１１の表面、の上の対応するオリフィスのセットと、チャネルを介して流体連通している。

回転子１２は、通常、円盤として形成されており、作動中に、内側固定子面１１ａに押し付けられる面である内側回転子面１２ａを有している。内側回転子面１２ａには、１つ又は複数の溝が設けられており、同溝は、固定子１１に対する回転子１２の回転位置に依り、内側固定子面１１ａの異なるオリフィスと相互接続する。

固定子１１の前面の単純化した斜視図を示す図３は、５つまでの接続された構成要素の中から選択するのに有用な、本発明による１２ポート弁実施形態用の入口及び出口ポート３１ａ、３２ａ、３３ａ−３７ａ、３３ａ’−３７’ａの配置を示している。前面は、ここでは、固定子１１の、内側固定子面１１ａとは反対側の面である。

一般的に、ポートの数、ポートの角度位置、溝、及び本出願の図面に示されている同様のものは、本発明の異なる実施形態の間で異なる場合もあり、即ち、それらは、相互の協働が本発明の概念に従っている限り、弁の回転軸に対して回転させ、鏡像化し、又は別の方法で修正できることに留意頂きたい。

更に、固定子の入口／出口ポートは、穴（又はあらゆる型式のチャネル）を介して、内側固定子面１１ａ上のオリフィスに接続されているので、ポートとオリフィスの間に非線形チャネルを作ることにより、ポートを、内側固定子面１１ａ上のオリフィスのパターンとは異なる様式に配置することもできる。固定子へのポートは、固定子の、前側以外の外側面に配置することもできる。しかしながら、単純化のために、図４に関連して後で説明する様に、図では、ポートは、内側固定子面のオリフィスと一直線になるように配置されている。

この様に、図３による実施形態の固定子１１は、５つの構成要素を弁に接続するのに用いられる１０個のポートを有している。図３で、参照番号３３ａと３３ａ’は、この例では１つのその様な構成要素の接続に対応するポートを指している。他の構成要素は、ポート３４ａ、３４ａ’３５ａ、３５ａ’、３６ａ、３６ａ’及び３７ａ、３７ａ’にそれぞれ接続されている。更に、図３には、それぞれ、弁に入り、弁から出る、中央の入口ポート３２ａと、出口ポート３１ａとが示されている。

図３で分かる様に、構成要素は、この実施形態では、弁の直径方向に反対のポートに接続されている。更に、これも理解頂けるように、弁は、弁の入口と出口が入れ替わった場合、即ち、ポート３１ａが入口として、ポート３２ａが出口として用いられる場合も、同様に有用であり、これについては、以下の弁配置の説明から明白となるであろう。

入口ポート３２ａは、ポンプの様な、主流体源からの流体の流れを受け入れる。流体は、出口ポート３１ａから、器具の残り部分又は選択肢の何れかの容器に出ることができるようになっている。

ＬＣＳに使用する場合、弁に取り付けられている構成要素は、クロマトグラフィーカラム又は従来型の毛管ループの様な保持ループでもよい。本発明による弁は、流れを逆転させることができるので、他の対応するポートがそれぞれ出口又は入口として機能するのであれば、何れの接続ポートでも入口として使用することができる。

図４は、図３の固定子１１を他の側、即ち、内側固定子面側１１ａから見た斜視図である。固定子の外側の各ポート３１ａ、３２ａ、３３ａ、３３ａ’−３７ａ、３７ａ’は、図４に示されている３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３３ｂ’−３７ｂ、３７ｂ’で終結しているチャネルを介して内側固定子面１１ａに接続されていることに注目されたい。第１構成要素は、ポート／オリフィス３３ａ、３３ａ’／３３ｂ、３３ｂ’と関係付けられており、第２構成要素は、ポート／オリフィス３４ａ、３４ａ’／３４ｂ、３４ｂ’と関係付けられており、以下同様である。

ポートと流体接続しているオリフィス３３−３７ｂ、３３−３７ｂ’に加えて、この実施形態では、溝３８が、内側固定子面１１ａに設けられている。溝は、通常オリフィスの直径と基本的に同じ幅である。本発明による弁には、この溝３８を設けなくてもよいが、溝を含んでいる方が適している。この溝３８の利点について、以下に詳しく説明する。

内側固定子面１１ａを見ると、オリフィスと溝端部の全体的角度分布が、図５に示されている。オリフィス及び溝端部の位置と、恐らくは用いられない位置も、この実施形態では、固定子の中央オリフィス（その中心は、弁の回転軸と一致している）の周りに実質的に等しく分布している。図示の実施形態によれば、固定子上にその様な位置は１２個あるので、分割角度αは、この実施形態では３０°である。多少の接続可能な構成要素を考慮して設計された他の実施形態では、角度は、３０°でなくてもよい。この様に、４つの接続可能な装置用の実施形態では、３６°の角度α’が有用である。

出口オリフィス（図４のオリフィス３１ｂ）と溝３８の外側端部は、この実施形態では、内側固定子面１１ａの中心から半径方向距離Ｒ１のところに配置されており、構成要素ポート３３ａ、３３ａ’−３７ａ、３７ａ’と関係付けられているオリフィス３３ｂ、３３ｂ’−３７ｂ、３７ｂ’と、溝３８の内側端部は、内側固定子面１１ａの中心に更に近い半径方向距離Ｒ２のところに配置されている。

一例として、直径０．５ｍｍのオリフィスと、幅０．５ｍｍの溝とを有する或る実施形態では、Ｒ１は３ｍｍが適しており、Ｒ２は２ｍｍが適している。
本発明による弁の実施形態の回転子１２の内側回転子面１２ａを、図６に示している。この内側回転子面１２ａは、先に説明した、図４と図５に示されている内側固定子面１１ａの実施形態に適合するようになっている。内側回転子面１２ａには、基本的に環状の溝４１と半径方向の溝４３が設けられている。環状溝４１は、この実施形態では、基本的に環状の形状を有しており、半径方向に内向きに伸張する拡張部４２を備えている。半径方向溝４３は、内側回転子面１２ａの回転中心から半径方向に外向きに伸張している。

溝４１、４３の形状を、図７に更に明確に示している。環状溝４１は、半径Ｒ１に配置されており、その拡張部４２は、内側回転子面の回転中心から半径Ｒ２まで伸張している。半径方向溝４３は、拡張部４２とほぼ一直線になるように伸張しているが、回転子面の回転中心から、中心からの半径方向距離Ｒ２のところまで、反対方向に伸張している。距離Ｒ１とＲ２は、図５の内側固定子面１１ａに用いられている距離と同じである。溝４１、４２、及び４３の幅は、通常、オリフィスの直径と同じである。

固定子並びに回転子の溝の深さは、弁の体積流量に合うように選択されるが、通常は、オリフィスの直径と同じ程度である。
組み立てられるとき、内側回転子面１２ａは、何れの従来型回転弁でも一般的な方式（当業者には周知であり、ここでは説明しない）で、内側固定子面１１ａに押し付けられる。回転子１２と固定子１１の相互の角度位置に依って、弁では、異なる作動モードが得られる。これらを、図８から図１０に示しており、回転子の溝を太線で示している。

図８に示されている第１回転子位置では、構成要素オリフィス３３ｂ（及び構成要素３３ａ）は、半径方向溝４３を介して、弁の入口オリフィス３２ｂ（及び弁の入口ポート３２ａ）に接続されている。同時に、環状溝４１とその拡張部４２は、構成要素オリフィス３３ｂ’（及び構成要素ポート３３ａ’）を弁の出口オリフィス３１ｂ（及び弁の出口ポート３１ａ）に接続している。

クロマトグラフィーカラム又は毛管ループの様な構成要素（図示せず）が各ポート３３ａと３３ａ’に接続されると、入口ポート３２ａ（及び入口オリフィス３２ｂ）を介して弁に入る流体の流れは、半径方向溝４３を通り、オリフィス３３ｂとポート３３ａを介して構成要素に入り、構成要素を通り、ポート３３ａ’とオリフィス３３ｂ’を介して弁に戻り、拡張部４２と環状溝４１を通り、最終的に、出口オリフィス３１ｂとポート３１ａを介して弁を出る。

回転子を（図８で見て）反時計回りに回転させると、もう一つの接続ポート対（例えば、図４の３４ａと３４ａ’）が、弁の入口ポート３２ａ及び出口ポート３１ａに接続されることになり、もう一つの接続された構成要素が選択される。

図９は、第２回転子位置を示しており、回転子は、図８に示している位置に対して１８０°回転されている。この位置では、同じ構成要素が接続されているが、流れの方向は逆転している。そのため、流体は、入口ポート３２ａと入口オリフィス３２ｂを介して依然として弁に入ってくるが、半径方向溝４３を通り、オリフィス３３ｂ’とポート３３ａ’を介して構成要素に入り、構成要素を（逆方向に）通り、ポート３３ａとオリフィス３３ｂを介して弁に戻り、拡張部４２と環状溝４１を通り、最終的に、出口オリフィス３１ｂとポート３１ａを介して弁を出る。

この様に、回転子を１８０°回すだけで、構成要素を通る流れの方向は、何ら弁を追加し又は配管をやり直す必要無しに、逆転する。
更に、図示の実施形態は、図１０に示す様に、弁の入口と出口の間に接続が設けられ、流れが、接続されている構成要素の何れにも入ること無く弁を通過することができる、第３位置を考慮している。

バイパス位置では、流体は、中央入口ポート３２ａとオリフィス３２ｂに入り、半径方向溝４３と固定子溝３８を通る。次に、流体は、環状溝４１を通り、出口オリフィス３１ｂとポート３１ａを介して弁を出る。この位置は、環状溝４１を洗浄できるようになっている。

固定子溝３８は、外部ポートの数を減らすには好ましいが、本発明にとって不可欠なものではない。代わりに、或る長さの配管で外部に相互接続されている、別の入口／出口ポートのセット（例えば、ポート３３ａ及び３３ａ’と同様）によって、外部バイパスを設けることもできる。これは、勿論、弁のどの様な直径に沿った位置に設けることもできるので、何れの入口／出口ポートでもバイパスポートとして使用することができる。

上記実施形態は、一例的な実施形態に過ぎない。ポート及びオリフィスの数は、様々であってもよく、従って、接続される構成要素の数はどの様な数であってもよいものと理解されたい。更に、オリフィスと溝の位置を僅かに変えることもできる。環状溝４１は、出口オリフィス３１ｂと常に流体連通していて、他のオリフィスの何れとも接触せず、半径方向溝４３は、入口オリフィス３２ｂと常に流体接触していて、回転させると、全ての接続オリフィス３３ｂ−３７ｂ、３３ｂ’−３７ｂ’に達することができ、拡張部４２は、回転させると、全ての接続オリフィスに到達することができなければならない、というのが制約的特徴である。本発明に関わる全ての利点を得るために、接続される構成要素は、２つの、直径方向に反対側のオリフィスに接続され、拡張部４２と半径方向溝４３も、直径方向に反対側にある。

図１１は、５つの構成要素５１−５５（この事例では毛管ループとして示されている）が、上記弁の実施形態に、どの様に接続されているかを示している。この事例では、弁の回転子は、第３構成要素５３が選択されている位置で示されている。

１０ 回転選択弁
１１ 固定子
１１ａ 内側固定子面
１２ 回転子
１２ａ 内側回転子面
１３ 回転軸
１４ 駆動ユニット
３１ａ、３２ａ、３３ａ−３７ａ、３３ａ’−３７’ ポート／オリフィス
３１ｂ、３２ｂ、３３ｂ、３３ｂ’−３７ｂ、３７ｂ’ ポート／オリフィス
３８、４３、４１ 溝
４２ 溝の拡張部
５１−５５ 毛管ループ

Claims (2)

1. 固定子（１１）と回転子（１２）を備えている回転選択弁（１０）であって、前記固定子（１１）は、前記固定子の中に突き出ていて、それぞれが、内側固定子面（１１ａ）上のオリフィスで終結している多数の接続ポートを備えており、同内側固定子面は、前記回転子（１２）の内側回転子面（１２ａ）と流体密封方式で接触している前記固定子の面であり、前記内側回転子面（１２ａ）は、前記内側固定子面（１１ａ）に対して、回転軸（ＲＡ）の周りに回転させて動かすことができ、多数の異なる構成要素が前記固定子へのポートに接続され、同ポートは、前記回転子の異なる回転位置で選択され、
   前記内側固定子面は、
   対応する第１入口／出口ポート（３１ａ）に接続されている第１入口／出口オリフィス（３１ｂ）であって、前記第１入口／出口オリフィス（３１ｂ）は、前記回転子の回転軸から第１半径方向距離（Ｒ１）に配置されている、第１入口／出口オリフィス（３１ｂ）と、
   対応する第２入口／出口ポート（３２ａ）に接続されている第２入口／出口オリフィス（３２ｂ）であって、前記第２入口／出口オリフィスは、前記回転子（１２）の回転軸と略一致して配置されている、第２入口／出口オリフィス（３２ｂ）と、を備えている回転選択弁において、
   前記内側固定子面は、
   対を成す接続オリフィス（３３ｂ−３７ｂ、３３ｂ’−３７ｂ’）であって、各オリフィスは、対応する接続ポート（３３ａ−３７ａ、３３ａ’−３７ａ’）と連通しており、前記弁に接続されることになる構成要素は、２つのポートそれぞれに接続されるようになっており、接続可能な構成要素それぞれに関係付けられている前記２つのオリフィスは、前記回転子の回転軸に対して基本的に直径方向に反対側の位置に配置されており、前記接続オリフィスそれぞれ（３３ｂ−３７ｂ、３３ｂ’−３７ｂ’）は、前記回転子の回転軸から、前記第１半径方向距離（Ｒ１）より短い半径方向距離に配置されている、対を成す接続オリフィスを更に備えており、
   前記内側回転子面は、
   前記回転子の回転軸の周りの前記第１半径距離（Ｒ１）に配置されている基本的に環状の溝（４１）であって、前記環状溝（４１）は、前記環状溝（４１）の１つの位置から、前記回転子の回転中心に向けて、全行程ではなく、全ての接続オリフィス（３３ｂ−３７ｂ、３３ｂ’−３７ｂ’）に到達できる長さだけ伸張している拡張部（４２）を更に有している、環状溝と、
   前記回転子の回転中心から、全ての接続オリフィス（３３ｂ−３７ｂ、３３ｂ’−３７ｂ’）に到達することができるが、前記第１半径方向距離（Ｒ１）よりは短い、或る長さまで伸張している半径方向溝（４３）であって、前記半径方向溝（４３）は、前記環状溝（４１）の前記拡張部（４２）の方向に対して略直径方向に配置されている、半径方向溝と、を備えていることを特徴とする回転選択弁。
2. 前記内側固定子面（１１ａ）は、前記第１入口／出口オリフィス（３１ｂ）と直径方向に反対側に配置されている固定子溝（３８）を更に備えており、前記固定子溝（３８）は、前記第１半径方向距離（Ｒ１）と、前記半径方向溝（４３）が前記回転中心から伸張しているのと基本的に同じ長さまでの間を、半径方向に伸張していることを特徴とする、請求項１に記載の回転選択弁。

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