JP2013533464A - 回転円柱状切替弁 - Google Patents

Abstract

フロースルーコンポーネントへの接続のための多数の対の開口部を有する固定子と、最小の死容積を有する流路を形成し、且つ弁を最小角度回転することにより任意のコンポーネントからの流れ方向の反転を可能にする細長い凹部を有する回転子とを含むように設計されている回転弁。

Description

関連出願に対するクロスリファレンス
本願は２０１０年５月２０日に出願された米国仮特許出願第６１／３４６，７５２号の利益を主張し、同出願の内容は引用により本明細書で援用される。

回転弁は、システムコンポーネント、例えばカラム、ループ、フィルター、検出器等に流体の流れを向け、そして、異なる流体源と同様に異なるコンポーネント間を切り替えるための分析研究や設備において有用である。そのため、回転弁はそのような目的、例えばサンプル注入、サンプルの流れの選択、流体の方向の変更、画分の回収、溶媒又は緩衝液の選択、及び異なるクロマトグラフィーカラム間の選択、のためにコンポーネントを選択し、そしてその間を切り替えるのに使用され得る。典型的な回転弁は固定子と回転子を有しており、これらは、固定子又は回転子のいずれか、大半は回転子の表面に内部チャネル、例えば溝（細長い凹部）の形態の内部チャネルを有しており、これらは、回転子の位置に応じて、当該弁にある、選択された対の開口部の橋渡しをする。フロースルーのシステムコンポーネント、例えば分析カラム、を供給する典型的な回転弁では、当該弁の内部チャネルが当該弁上の入口部と、フロースルーコンポーネントへの入口部との間の橋渡しをし、当該弁の別の内部チャネルが同一のフロースルーコンポーネントと当該弁上の出口部との橋渡しを形成する。当該内部チャネルは、典型的に、ある量の死容積（これを本明細書では、流体が流れないどころか淀んでおり、内部チャネルの一領域として定義する。）を含んでおり、流体は当該弁を通じて他に流れる。死容積を有する弁は定期的に洗浄されなければならず、洗浄したとしても、死容積は、弁の位置が切り替わると、ある流体又は試料が別のもので汚染されるという危険性を有している。死容積に加えて、流体が内部チャネルを移動する距離は、流体が方向づけられるコンポーネントの効率にも影響を及ぼすことがある。弁がクロマトグラフィーシステムに利用される場合、例えば、弁の内部チャネルからの追加の移動距離はバンドを広げ、溶質を検出して定量する精度を減少させることがある。幾つかの回転弁は、ユーザーに対し、フロースルーコンポーネントからの順方向と逆方向との間に選択肢を提供するよう設計されている。これは弁の設計を複雑にし、場合によっては弁が１８０°回転することを必要とし、弁が遠くに回転するか、十分に遠くまで回転しない場合ユーザーエラーの可能性を増大させ、そして弁が１又は複数の位置を通過して回転しなければ所望の位置に到達しない場合汚染の可能性を増大させる。

本発明の概要
本発明は、最小の死容積を含み、且つ、非常に小さい角度の回転により、任意のコンポーネントからの流れ方向の反転を可能にする回転弁に存する。本発明のこれら以外の特徴、目的、利点は添付図面及び以下の説明から明らかである。

図１は、本発明の範囲内に含まれる回転弁の斜視図である。 図２は、図１の回転弁の固定子の平面図である。 図３は、図１の回転弁の回転子の平面図である。 図４は、図１の回転弁の固定子と回転子とが一緒になっている平面図である。 図５は、本発明の範囲内に含まれる第二の回転弁の固定子と回転子とが一緒になっている平面図である。 図６は、逆流の位置にある図５の回転弁の固定子と回転子とが一緒になっている平面図である。 図７は、本発明の範囲内に含まれる第三の回転弁の固定子と回転子とが一緒になっている平面図である。 図８は、逆流の位置にある図７の回転弁の固定子と回転子とが一緒になっている平面図である。

本発明の詳細な説明及び好ましい態様
用語「コンポーネント」は、上述のとおり、回転弁が流体を供給するユニット、あるいは回転弁への流体の供給先のユニットを表すために本明細書では使用される。多くのこのようなユニットはフロースルーユニットである。かかる「コンポーネント」の例は、カラム、ループ、フィルター、及び検出器である。用語「コンポーネント開口部」は、コンポーネントが接続される、回転弁の開口部を表すために本明細書で使用され、多くの場合、当該接続は接続チューブを介する。コンポーネント開口部は、流体を供給するか、コンポーネントから流体を受け取る役割を果たし、典型的なコンポーネントは２つのコンポーネント開口部に接続され、一方のコンポーネント開口部は当該コンポーネントに流体を供給するためのものであり、そして他方は当該コンポーネントを去る流体を受け取るためのものである。

用語「弁入口部」は、弁の外にある流体の供給源から当該流体を受け取るよう指定されている回転弁内の開口部を表すために本明細書では使用され、これを通じて、当該流体は、コンポーネント開口部への移送のために当該弁の内部チャネルへと進入する。同様に、用語「弁出口部」は、弁の内部、特に、弁の内部チャネルから、当該弁の外側の容器へと流体を排出するよう指定された開口部を表すために本明細書で使用され、かかる容器は、追加のユニット、例えば検出器、回収容器又はゴミ箱 (waste)であってもよい。

ある円に関する用語「円弧」は、当該円の全周に及ばない程度広がっている円の一部を表す。

用語「前記軸に対し互いに反対に位置している」とは、２つの開口部間の位置関係を説明するために本明細書で使用されている場合、当該２つの開口部を結ぶ直線が当該軸を通過し、当該軸が当該２つの開口部間に位置することを指している。

本発明の回転弁の特徴の１つとして、固定子に面した回転子表面にある２つの細長い凹部又は溝を備えた回転子があり、各溝は、中心が弁の軸である円の円弧を形成するよう成形されており、２つのアームは当該円弧から外側に（すなわち、当該軸から離れるよう）伸びている。当該２つの凹部は完全に分離されている。すなわち、互いに流体を流す手段がない。当該２つの凹部は互いに軸を挟んで向かい合っている。固定子は、固定子と回転子の共通の軸に対し互いに正反対に位置している対として配置されたコンポーネント開口部を備えている。対となったコンポーネント開口部は、当該軸に隣接する円弧に並べられており、当該軸はこれらの円弧のそれぞれの中心にある。当該コンポーネント開口部により形成される円弧は、回転子の凹部にある円弧よりも半径が大きく、そのため、回転子の凹部にある円弧の外側にある。回転子の凹部の一部であるアームの外側の末端は、回転子が回転するにつれ、各アームの末端が、あるコンポーネント開口部と合わさった状態から、同一の円弧の次のコンポーネント開口部、延いては、全てのコンポーネント開口部と合わさった状態へと連続的に通過するよう、固定子のコンポーネント開口部により形成される円弧と合わさる。

他の特徴として、回転子における１つの弁入口部と１つの弁出口部があり、これらの開口部はそれぞれ、軸からの半径方向距離が凹部の円弧部のうちの１つの半径に等しい場所に位置している。従って、回転子が回転するにつれ、一方の凹部の円弧部は弁入口部を通過し、他方の凹部の円弧部は弁出口部を通過し、両方の開口部は各円弧と合わさったままであり、その結果、各開口部は一方の凹部との流体連通を維持する。好ましくは、固定子と回転子のいずれも、開口部又は凹部が前記軸にあることや、あるいは当該軸を横切ることはない。

任意な一つの凹部にある死容積は、使用されない円弧及び使用されないアームの部分に限定され、そして、当該凹部の積極的な使用の間に流体が流れる各凹部の長さは、１つのアームの一方及び円弧の一部に限定される。更に、流体が流れる各凹部の長さは弁の位置によって変動するが、変動範囲は各凹部にある円弧の長さのみであり、比較的距離が短い。更に、当該２つの円弧の長さは同一であるか、必要最低限異なり、それ故、各凹部は、流路を変更することなくいずれの方向でも流体の流れを提供する。また更に、前記２つの凹部は、一方の凹部のアームの末端が第二の凹部のアームの末端に十分近づき、ごく僅かな角回転が、前記弁が接続されている任意の１つのコンポーネントからの流体の流れを逆転させるよう配置される。

本明細書とともに提供されている図面は本発明の範囲内の回転弁の例を表す。

図１は、本発明の範囲内にある回転弁１１の一例の斜視図である。弁本体は、上側のディスクとしての固定子１２と、矢印１４が示すように回転する、下側のディスクとしての回転子１３と、を備えた２枚のディスクから形成されている。当該２枚のディスクは共通の軸１５を共有しており、回転子１３は当該軸を中心に回転する。この例の弁は、６つのコンポーネント２１、２２、２３、２４、２５、２６を収容しており、それぞれのコンポーネントはループで表されており、それぞれ当該弁内の２つの開口部に接続されている。当該ループに供給するための流体は、供給源２７から、弁入口部２８を通じて当該弁へと供給され、当該ループを過ぎた流体は、当該弁から、弁出口部２９を通じて排出容器３０へと排出される。弁入口部と弁出口部とを繋ぐチャネルは前記回転子内にある。これらのチャネルと前記固定子内の種々の開口部は図２及び３においてより明確に見られる。

図２は固定子１２の平面図である。コンポーネント開口部３２ａ、３２ｂは当該固定子の両側に対し開口しており、固定子ディスクの全層にまで伸びている。当該コンポーネント開口部は対になっており、各対の２つの部材は軸１５に対し互いに正反対に位置している。説明のため、各対の一方の開口部を入口部３２ａと、そして他方を出口部３２ｂと称した場合、入口部３２ａはある円の円弧３３ａに沿って配置され、出口部３２ｂはある円の円弧３３ｂに沿って配置されており、当該円弧は同心であり、それらの中心は軸１５と一致している。図１、２及び３に示す特定の態様において、２つの円弧３２ａ及び３２ｂの半径は長さが等しく、同じ円の円弧である。あるいは、かかる２つの円弧は、後の図や下記に示すとおり、半径が不均一であってもよい。図２の態様の更なる特徴は、全コンポーネント開口部がそれぞれの円弧に沿って、且つ前記固定子の全周の周りで等間隔であること、すなわち、全コンポーネント開口部の角変位 (angular displacement)が等しいことである。それぞれの円弧の内側の開口部の間隔が不均一である配置、入口部群と出口部群の間の角度の格差がより広い配置、あるいはその両方の配置、も同様に本発明の範囲内である。弁入口部２８及び弁出口部２９は共に、前記コンポーネント開口部により形成される円弧の内側にあり、そのため、軸１５により近い。図のとおり、それらは軸から等距離にある。しかしながら、これも変更され得るのは次の図にも示されているとおりである。

図３は回転子１３の平面図である。固定子において、種々のコンポーネント開口部を弁入口部及び弁出口部に接続する凹部４１、４２は、回転子の厚さを貫通する穴というより寧ろ、固定子に面する回転子の表面における溝であり、これが固定子表面とともに閉鎖したチャネルを形成する。各凹部は円弧４３ａ、４３ｂを含んでおり、これら２つの円弧は同心であり、各円弧の中心は軸１５と一致している。各円弧の２つの末端又はその付近はアーム４４ａ、４５ａ、４４ｂ、４５ｂであり、これらは当該円弧から外側に伸びている。当該アームの外側端は、前記凹部の末端４６ａ、４７ａ、４６ｂ、４７ｂであり、各末端の軸１５からの距離は、前記固定子のコンポーネント開口部３２ａ、３２ｂのものと等しい。従って、前記回転子が回転するにつれ、末端４６ａ、４７ａ、４６ｂ、４７ｂは連続してコンポーネント開口部３２ａ、３２ｂと合わさる。同様に、前記凹部の円弧部４３ａ、４３ｂは、前記固定子の弁入口部２８と弁出口部２９との間の距離と等しい半径を有しているため、前記回転子が回転しても、弁入口部２８及び弁出口部２９はこれらの円弧部４３a及び４３ｂと合わさったままである。この態様において、２つの円弧部４３ａ、４３ｂは等しい半径を有しており、且つ、同一の円の円弧である。あるいは、当該２つの円弧は、後の図や下記に示すとおり、異なる半径であってもよい。また、この態様において、アーム４４ａ、４５ａ、４４ｂ、４５ｂは略等しい長さであり、末端４６ａ、４７ａ、４６ｂ、４７ｂは軸から等距離にある。末端４６ａ、４７ａ、４６ｂ、４７ｂの長さが異なるという別の設計も機能し、これも本発明の範囲内にある。この変更も同様に後の図や下記に示されている。

図４は、前記固定子と回転子が結合した状態を示しており、この中で、回転子は固定子の下にあり、そして凹部４１、４２は破線で示されている。凹部４１、４２は、末端４６ａ、４７ａ、４６ｂ、４７ｂの間隔がコンポーネント開口部間のものと等しくならないように配置されており、前記弁の全ての位置で、各凹部から最大１つの末端が１つのコンポーネント開口部と合わさっている。従って、前記弁が１つのコンポーネントに開口している際のそれぞれの位置において、一方の凹部は弁入口部２８と１つのコンポーネント開口部とを接続し、他方の凹部は弁出口部２９ともう一つのコンポーネント開口部とを接続し、これら２つのコンポーネント開口部は、１つのコンポーネント開口部に対し流体を供給し、当該コンポーネント開口部から流体を受け取るペアを形成する。好ましい態様において、図のとおり、一方の凹部の末端４６ａと他方の凹部の隣接する末端４６ｂとの間の角度間隔（angular spacing）５１は、隣接するコンポーネント開口部の角度間隔５２よりも小さく、この図ではおよそ半分である。前記回転子を、隣接するコンポーネント開口部の角度間隔５２と等しい角度回転させることで、前記弁からの流体流れはあるコンポーネントから次へと切り替わる。すなわち、前記回転子を、当該回転子の凹部の隣接する末端間のより小さい角度間隔５１回転させることで、一つのコンポーネントからの流体の流れ方向を反転させることができる。

図１〜４の回転弁の変更を図５及び６に示す。これらの図は、固定子と回転子とが互いに結合している状態を図４に類似の見方で表しており、例外は、明確にする目的で全ての開口部と凹部が実線で示されているということである。図５及び６において、２組のコンポーネント開口部５１ａ、５１ｂは、半径が等しくない円弧を形成しているが、共に弁軸５２を中心としている。その結果、各凹部は長いアーム５３ａ、５３ｂと短いアーム５４ａ、５４ｂを有している。これらのアームの長さは、図５に示した弁の位置において、一方の凹部の長いアーム（例えば５３ａ）の末端があるコンポーネント開口部５１ａと合わさり、且つ、短いアーム（例えば５４ｂ）の末端が反対のコンポーネント開口部５１ｂと合わさるようになっている。流路は、図１〜４の回転弁のものと類似しており、但し、流体は弁入口部５５から弁へと供給され、当該弁から弁出口部５６へと排出される。同一のコンポーネントからの流れ方向の反転は、回転子を図６に示した位置に回転させることで達成され、ここで、図５の位置にある弁出口部５６と連通していた当該同一のコンポーネント開口部５１ａは、続いて、弁入口部５５と連通し、一方、図５の位置にある弁出口部５５と連通していた反対のコンポーネント開口部５１ｂは、続いて、弁出口部５６と連通する。

第二の変更を図７及び８に示す。これらの図は同様に、全ての開口部と凹部が実線で示されている図５及び６に類似の見方で、固定子と回転子とが互いに結合している状態を表している。図７及び８において、前記回転子における２つの凹部の円弧部７１、７２は、同一円の円弧というより寧ろ、異なる半径の円の円弧であり、しかし、尚も共に軸７３を中心としている。それに応じて、弁入口部７４は、当該軸からの距離が弁出口部７５と同じではなく、弁入口部７４は一方の凹部の円弧７２と合わさっており、弁出口部７５は他方の凹部の円弧７１と合わさっている。しかしながら、流路は再び以前の図の回転弁と類似しており、流体は弁入口部７４を通じて当該弁へと供給され、当該弁から弁出口部７５を通じて排出される。同一のコンポーネントからの流れ方向の反転は、図７に示す位置から図８に示す位置に回転子を回転させることで達成され、ここで、図７の位置にある弁出口部７５と連通していた同一のコンポーネント開口部７６ａは、続いて、弁入口部７４と連通し、一方、図７の位置にある弁出口部７４と連通していた反対のコンポーネント開口部７６ｂは、続いて、弁出口部７５と連通する。

様々な図に示した態様では、６対のコンポーネント開口部が各回転弁に含まれている。この数は本発明にとって必須のものではなく、変更され得る。好ましくは、当該弁は２〜１０対、最も好ましくは４〜８対含むであろう。隣接する開口部間の角度間隔は適宜変化する。図示した６対の配置では、あるコンポーネントから次へと切り替わる角度間隔は３０°であるが、同一のコンポーネントにおいて前方から逆（又はその反対）へと流れが切り替わる角度間隔は１５°である。前記円弧の相対的な半径も変化しうる。好ましい態様において、前記回転子の凹部の円弧部の半径は、前記コンポーネント開口部が存在する円弧部の半径の１／４から３／４である。前記円弧部の長さも同様に、弁がいくつ開口部を有するか、そして隣接する開口部がどれだけ離れているか、あるいは、弁の全回転領域、等によって変化し得る。好ましい態様において、各円弧は当該円弧によって規定される円の円周の半分未満である。

前記弁の構造の他の特徴は常用のものであり、当業界で周知である。固定子と回転子は通常、一緒にプレスされて表面シールを形成し、これにより、凹部によって形成されるチャネルを介する他に流体が接触面間を通過しなくなる。好ましい表面は摩耗に対しても耐性がある。セラミックやセラミック−ポリマーの組み合わせはこの目的のために当業界で知られているものの１つである。

本明細書に添付の特許請求の範囲において、用語「a」又は「an」は「１又は複数」を意味することが意図されている。用語「具備する（comprise）」やその変化形、例えば「comprises」及び「comprising」がステップや構成の記載の前にある場合、更なるステップ又は構成の追加が任意であり、除外されないことを意味することが意図される。本件特許明細書で引用されている全ての特許、特許出願、及び他の刊行物は、引用することでその全体が援用されている。本明細書で引用されたあらゆる参考資料又はあらゆる一般的な従来技術と本明細書の明白な教示との間の矛盾は、本明細書の教示が優先して解決することが意図されている。これは、ある語句の当業界で理解されている定義と、それと同じ語句について本明細書で明白に提供されている定義との間のあらゆる矛盾を含む。

Claims (18)

1. 固定子及び、当該固定子に取り付けられた、軸周りの回転のための回転子、を具備する回転弁であって、
   前記回転子が（ｉ）多数の対のコンポーネント開口部、ここで、各対は前記軸に対し互いに反対に位置している第一コンポーネント開口部と第二コンポーネント開口部から成り、前記第一コンポーネント開口部は、前記軸を中心とする第一の円の円弧内に集合的に配置されており、前記第二コンポーネント開口部は、前記軸を中心とする第二の円の円弧内に集合的に配置されている、及び（ｉｉ）前記軸に対し互いに反対に位置している弁入口部及び弁出口部であって、共に前記第一及び第二の円の内側に位置する、弁入口部及び弁出口部、を有しており；
   前記回転子が互いに流体連通しない第一及び第二の細長い凹部を有しており、前記第一の凹部が、前記軸を中心とし、且つ、前記軸からの距離が前記弁入口部と等しい第三の円の円弧を具備しており、前記第二の凹部が、前記軸を中心とし、且つ、前記軸からの距離が前記弁出口部と等しい第四の円の円弧を具備しており、前記第一及び第二の凹部のそれぞれが更に、前記円弧から、前記固定子のコンポーネント開口部の前記第一の円にある第一の末端に伸びている第一アームと、前記円弧から、前記固定子のコンポーネント開口部の前記第二の円にある第二の末端に伸びている第二アーム、を具備しており、
   ここで、前記第一の末端は、コンポーネント開口部の前記第一円に沿って、前記固定子の隣接する第一コンポーネント開口部間の角度間隔未満の角度間隔で分離されており、そして前記第二の末端は、コンポーネント開口部の前記第二円に沿って、前記固定子の隣接する第二コンポーネント開口部間の角度間隔未満の角度間隔で分離されている、
   回転弁。
2. 前記第一の円の前記円弧が、前記第一の円の円周の半分未満であり、前記第二の円の前記円弧が、前記第二の円の円周の半分未満である、請求項１に記載の回転弁。
3. 前記第三の円の前記円弧が、前記第三の円の円周の半分未満であり、前記第四の円の前記円弧が、前記第四の円の円周の半分未満である、請求項１に記載の回転弁。
4. 前記第一の円と前記第二の円が一致しており、前記第一の円の前記円弧と前記第二の円の円弧とが共通の円内に配置されている、請求項１に記載の回転弁。
5. 前記第三の円と前記第四の円が一致しており、前記第三の円の前記円弧と前記第四の円の円弧とが共通の円の円弧である、請求項１に記載の回転弁。
6. 前記多数の対のコンポーネント開口部が２対〜１０対から構成されている、請求項１に記載の回転弁。
7. 前記多数の対のコンポーネント開口部が４対〜８対から構成されている、請求項１に記載の回転弁。
8. 前記固定子の前記第一コンポーネント開口部が、等しい角度間隔で間隔を離されており、前記第一の末端の前記角度間隔が、前記第一コンポーネント開口部間の前記角度間隔のおよそ半分である、請求項１に記載の回転弁。
9. 前記軸にあるか、あるいは前記軸を横切る開口部又は凹部がない、請求項１に記載の回転弁。
10. 流体をフロースルーコンポーネントから、第一の方向、及び、当該第一の方向と反対の第二の方向に連続して通過させるための方法であって：
    （ａ）前記フロースルーコンポーネントが、第一及び第二の末端を前記回転弁にある選択された対のコンポーネント開口部のうちの、第一及び第二のコンポーネント開口部とそれぞれ接続させている状態で、且つ、第一の流路が前記弁入口部から前記第一の細長い凹部を通じて前記第一コンポーネント開口部まで形成されており、第二の流路が前記第二のコンポーネント開口部から前記第二の細長い凹部を通じて前記弁出口部まで形成されている第一の回転位置に前記回転弁がある状態で、第一の流体を、前記弁入口部から前記回転弁に供給し、前記第一の流体からの廃水を、前記回転弁から前記弁出口部を通じて排出し、それにより、前記流体を前記フロースルーコンポーネントを通じて順方向に通過させ、
    （ｂ）前記回転弁の前記回転子を、第三の流路が前記弁入口部から前記第一の細長い凹部を通じて前記第二コンポーネント開口部まで形成されており、第四の流路が前記第一コンポーネント開口部から前記第二の細長い凹部を通じて前記弁出口部まで形成されている第二の回転位置に回転させ、そして
    （ｃ）第二の流体を、前記弁入口部から前記回転弁に供給し、前記第二の流体からの廃水を、前記回転弁から前記弁出口部を通じて排出し、それにより、前記流体を前記フロースルーコンポーネントを通じて逆方向に通過させる、
    方法。
11. 前記第一の円の前記円弧が、前記第一の円の円周の半分未満であり、前記第二の円の前記円弧が、前記第二の円の円周の半分未満である、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第三の円の前記円弧が、前記第三の円の円周の半分未満であり、前記第四の円の前記円弧が、前記第四の円の円周の半分未満である、請求項１０に記載の方法。
13. 前記第一の円と前記第二の円が一致しており、前記第一の円の前記円弧と前記第二の円の円弧とが共通の円内に配置されている、請求項１０に記載の方法。
14. 前記第三の円と前記第四の円が一致しており、前記第三の円の前記円弧と前記第四の円の円弧とが共通の円の円弧である、請求項１０に記載の方法。
15. 前記多数の対のコンポーネント開口部が２対〜１０対から構成されている、請求項１０に記載の方法。
16. 前記多数の対のコンポーネント開口部が４対〜８対から構成されている、請求項１０に記載の方法。
17. 前記固定子の前記第一コンポーネント開口部が、等しい角度間隔で間隔を離されており、前記第一の末端の前記角度間隔が、前記第一コンポーネント開口部間の前記角度間隔のおよそ半分である、請求項１０に記載の方法。
18. 前記軸にあるか、あるいは前記軸を横切る開口部又は凹部がない、請求項１０に記載の方法。

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