JP2017210931A - バックアップリング及びそのバックアップリングを用いた送液ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】バックアップリングの強度を低下させることなく、ポンプヘッドに対するバックアップリングの着脱を容易にし、かつポンプヘッドに対するバックアップリングの位置決めを安定させる。【解決手段】バックアップリングは、プランジャ方式の送液ポンプのポンプヘッドに設けられたポンプ室を封止するプランジャシールの背面に接して該プランジャシールを支持するプランジャシール支持面側に最大外径をもつ円筒形状の最大外径部を有するとともに、前記最大外径部以外の部分の少なくとも一部に前記最大外径部よりも小さい外径をもつ小外径部を有するものである。すなわち、本発明のバックアップリングは、最大外径部の外周面は、該バックアップリングが嵌め込まれるポンプヘッドの凹部の内面と接する一方で、小外径部の外周面はポンプヘッドの凹部の内面と接しない。【選択図】 図１

Description

本発明は、プランジャ方式の送液ポンプにおいてポンプ室を封止するプランジャシールの背面を支持するために用いられるバックアップリング、及びそのバックアップリングを備えた送液ポンプに関するものである。

プランジャ方式の送液ポンプは、ポンプヘッド内に設けられたポンプ室内においてプランジャの先端を摺動させながら一方向に往復動させることにより、ポンプ室内への液の吸入と吐出を連続的に行なうものである。ポンプヘッドはポンプボディの先端部に着脱可能に装着されており、プランジャを駆動する駆動部はポンプボディ側に設けられている。ポンプボディ内には、例えばカム機構などによって一方向へ往復動させられるクロスヘッドが収容され、プランジャの基端がそのクロスヘッドに保持されている。

プランジャの先端はポンプボディの先端からポンプヘッド側へ突出し、ポンプヘッドのポンプ室内に挿入されている。ポンプヘッドにおけるポンプ室へのプランジャ挿入部分には、ポンプ室からポンプボディ側への液漏れの防止を目的として、プランジャの外周を密着保持する樹脂製のプランジャシールが設けられている。

高速液体クロマトグラフで用いられる送液ポンプでは、送液高圧になるため、プランジャシールに高圧がかかり、プランジャシールが変形して摩耗や劣化の問題が生じる。そのような問題を防止するために、プランジャシールの背面（ポンプ室とは反対側の面）にバックアップリングを配置し、プランジャシールの背面を支持してプランジャシールの変形を防止している（特許文献１参照。）。

特開２００１−２５４６８６号公報

送液圧力が１００ＭＰａを超えるような場合、プランジャシールが高圧によって変形し、プランジャシールの一部がプランジャの外面とバックアップリングの内面との間に入り込んでプランジャシールが劣化したりプランジャの駆動を阻害したりするという問題が生じる。そのため、プランジャとバックアップリングとの間の隙間が極力小さくなるようにバックアップリングの内径が設計されている。

通常、送液時のプランジャの中心軸の位置は、プランジャの外周面を密着保持するプランジャシールの位置によって決定されるのであるが、バックアップリングの中心位置とプランジャシールの中心位置がずれていると、プランジャの往復動時にプランジャの外面がバックアップリングの内面と接触し、プランジャの中心軸の位置がプランジャシールの中心位置からずれてしまい、プランジャがプランジャシール内面に均等な力で接触せず、プランジャシールの内面が部分的に摩耗するという問題がある。また、プランジャがバックアップリングを接触することによってプランジャやバックアップリングの摩耗粉が発生し、その摩耗粉がプランジャとプランジャシールとの間に入り込んで、プランジャシールの寿命が極端に短くなることもある。そのため、プランジャシールの中心とバックアップリングの中心は同軸上にあることが望ましい。

バックアップリングはポンプヘッドのポンプボディ側の面に設けられた凹部に嵌め込まれている。バックアップリングの外径とポンプボディの凹部の内径との寸法差が大きいと、それだけバックアップリングの位置が安定せず、プランジャシールに対するバックアップリングの位置ずれが発生しやすくなる。一方で、バックアップリングの外径とポンプボディの凹部の内径との寸法差を小さくすると、バックアップリングの外周面がポンプヘッドの凹部の内面と接することによってバックアップリングの入り決めが安定してなされることになるが、バックアップリングを凹部に嵌め込む際に圧入しなければならず、ポンプヘッドに対するバックアップリングの着脱を容易に行なうことができない。また、無理に着脱しようとすると、バックアップリングだけでなく、プランジャシールやポンプヘッド等の部品を損傷させるというリスクもある。

バックアップリングの厚みを薄くすれば、ポンプヘッドの凹部の内面との接触面積が小さくなってバックアップリングをポンプヘッドに着脱する際の摩擦抵抗が低減されるため、バックアップリングの外径とポンプヘッドの凹部の内径との寸法差を小さく設計することも可能である。しかし、バックアップリングの厚みを薄くするとそれだけ強度が低くなり、高圧送液への用途に耐えられない。そのため、バックアップリングを薄くするにも限界がある。

そこで、本発明は、バックアップリングの強度を低下させることなく、ポンプヘッドに対するバックアップリングの着脱を容易にし、かつポンプヘッドに対するバックアップリングの位置決めを安定させることを目的とするものである。

本発明に係るバックアップリングは、プランジャ方式の送液ポンプのポンプヘッドに設けられたポンプ室を封止するプランジャシールの背面に接して該プランジャシールを支持するプランジャシール支持面側に最大外径をもつ円筒形状の最大外径部を有するとともに、前記最大外径部以外の部分の少なくとも一部に前記最大外径部よりも小さい外径をもつ小外径部を有するものである。すなわち、本発明のバックアップリングは、最大外径部の外周面は、該バックアップリングが嵌め込まれるポンプヘッドの凹部の内面と接する一方で、小外径部の外周面はポンプヘッドの凹部の内面と接しない。

最大外径部の外径は、ポンプヘッドに形成された凹部の内径と略同一であることが好ましい。そうすれば、ポンプヘッドに対するバックアップリングの位置決めが安定し、バックアップリング内周面とプランジャ外周面との接触が抑制される。最大外径部の外径が凹部の内径と略同一であるとは、両径の寸法差が例えば０．０１ｍｍ以下であることを意味する。

前記バックアップリングの好ましい実施形態の一例として、前記小外径部も円筒形状を有するものを挙げることができる。この実施形態では、バックアップリングの外周面には、プランジャシール支持面側とその反対面側で外径が異なることに起因した段差が存在する。かかる構造は、回転を利用した切削による加工によって容易に形成することができ、コストの上昇を抑制することができる。

また、前記バックアップリングの好ましい実施形態の他の例として、前記小外径部の外周面が前記プランジャシール支持面側から前記プランジャシール支持面とは反対側の面側へいくにしたがって外径が小さくなるように傾斜したテーパ形状を有するものを挙げることができる。かかる構造も、回転を利用した切削による加工によって容易に形成することができ、コストの上昇を抑制することができる。

本発明に係る送液ポンプは、液体を吸入するための液入口、前記液入口から吸入された液を貯留するためのポンプ室及び前記ポンプ室内の液を吐出するための液出口を備えたポンプヘッドと、前記ポンプヘッドに先端側が挿入され前記ポンプヘッド内で摺動するプランジャと、前記ポンプヘッドの前記プランジャ挿入部分に取り付けられ前記ポンプヘッドとプランジャとの間の隙間を封止するリング状のプランジャシールと、前記プランジャシールの背面側に設けられて前記プランジャシールの背面を支持する本発明のバックアップリングと、を備えたものである。

本発明に係るバックアップリングは、プランジャシール支持面側に最大外径をもつ円筒形状の最大外径部を有するとともに、最大外径部以外の部分の少なくとも一部に最大外径部よりも小さい外径をもつ小外径部を有し、最大外径部の外周面は、該バックアップリングが嵌め込まれるポンプヘッドの凹部の内面と接する一方で、小外径部の外周面はポンプヘッドの凹部の内面と接しないので、バックアップリングの厚みを薄くしなくても、ポンプヘッドの凹部の内面との接触面積を低減することができる。これにより、バックアップリングをポンプヘッドに対して着脱する際の摩擦抵抗が低減され、ポンプヘッドに対するバックアップリングの着脱が容易になり、メンテナンス性が向上する。

また、ポンプヘッドの凹部の内面との接触面積が低減されることから、最大外径部の外径をポンプヘッドの凹部の内径により近づけても、バックアップリングをポンプヘッドの凹部に嵌め込む際の摩擦抵抗の増大が抑制されることになる。最大外径部の外径をポンプヘッドの凹部の内径に近づければ、それだけポンプヘッドに対するバックアップリングの位置決めが安定し、バックアップリング内周面とプランジャ外周面との接触が抑制される。

本発明に係る送液ポンプは、上述のバックアップリングを用いているので、ポンプヘッドへのバックアップリングの装着を容易に行なうことができる。また、最大外径部の外径がポンプヘッドの凹部の内径により近いバックアップリングを用いれば、バックアップリングのポンプヘッドに対する位置決めがより安定して行なわれ、バックアップリング内周面とプランジャ外周面との接触が抑制され、バックアップリングやプランジャ、プランジャシールの摩耗が抑制される。

バックアップリングを備えた送液ポンプの一実施例を示す図であり、（Ａ）はポンプボディの先端側部分の断面図、（Ｂ）は（Ａ）のポンプ室近傍を拡大して示す断面図である。 バックアップリングの他の実施例を説明するための送液ポンプのポンプ室近傍の断面図である。

送液ポンプの一実施例について、図１を用いて説明する。

この実施例の送液ポンプは、ポンプボディ２の先端に洗浄チャンバ１２を挟んでポンプヘッド８が装着されている。ポンプボディ２内にはクロスヘッド４が移動可能に収容されている。クロスヘッド４はバネなどの弾性体６によって常にポンプヘッド８から遠ざかる方向（図において右方向）へ押されており、クロスヘッド４の基端部側に設けられたカム（図示は省略）の周面に追従する。クロスヘッド４は回転するカムの周面を追従することによりポンプボディ２内でポンプヘッド８へ近付く方向と遠ざかる方向（図において左右方向）へ往復動する。

クロスヘッド４の先端にはプランジャ３の基端部が保持されている。プランジャ３の先端部は洗浄チャンバ１２を貫通してポンプヘッド８の内部に設けられたポンプ室８ａに挿入されている。プランジャ３の先端部はクロスヘッド４の往復動によりポンプ室８ａの壁面に沿って摺動する。ポンプヘッド８はポンプ室８ａに液を吸入するための液入口流路８ｂとポンプ室８ａから液を押し出すための液出口流路８ｃを備えている。液入口流路８ｂ及び液出口流路８ｃにはそれぞれ逆流を防止するためのチェック弁９ａ，９ｂが接続されている。

ポンプヘッド８のポンプボディ２側の面に、ポンプ室８ａに通じる凹部２０が設けられている。凹部２０には、ポンプ室８ａ側からプランジャシール１０とバックアップリング１１が嵌め込まれている。凹部２０は、プランジャシール１０の前面側部分（図において左側部分）を嵌め込むための凹部２０ａと、その凹部２０ａよりもポンプボディ２側にもうけられて凹部２０ａよりも大きい内径をもつ凹部２０ｂからなる。凹部２０ｂにプランジャシール１０の背面側部分（図において右側部分）及びバックアップリング１１が嵌め込まれている。

プランジャシール１０は、ポンプ室８ａの内壁とプランジャ３の周面との間の隙間からの液漏れを防止するためにプランジャ３の外周面を摺動可能に密着保持するものである。バックアップリング１１は、プランジャシール１０の背面（ポンプ室８ａとは反対側の面）を支持する。バックアップリング１１のプランジャシール１０側の面（プランジャシール支持面）とは反対側の面は、洗浄チャンバ１２の壁面により支持されている。プランジャシール１０及びバックアップリング１１の詳細については後述する。

洗浄チャンバ１２は洗浄液を流通させる流路と貫通するプランジャ３の外周面をその洗浄液によって洗浄する空間を内部に備えている。洗浄チャンバ１２の内部空間のプランジャ３挿入部には、洗浄液の漏れを防止するためにプランジャ３の外周面を摺動可能に保持する洗浄シール１６が設けられている。洗浄シール１６の背面はポンプボディ２の壁面により支持されている。

この送液ポンプでは、プランジャ３がポンプ室８ａから遠ざかる方向（図において右方向）へ駆動されることにより、ポンプ室８ａ内が減圧されてチェック弁９ｂが閉じてチェック弁９ａが開き、液入口流路８ｂからポンプ室８ａ内に液が吸入される。逆に、プランジャ３がポンプ室８ａ内へ挿入される方向（図において左方向）へ駆動されることにより、ポンプ室８ａ内が加圧されてチェック弁９ａが閉じてチェック弁９ｂが開き、ポンプ室８ａから液出口流路８ｃへ液が押し出される。この動作を繰り返すことにより送液が行なわれる。

プランジャシール１０は、例えばポリエチレン樹脂などの弾性材料からなる。プランジャシール１０のプランジャ３の周囲に、ポンプ室８ａの内壁とプランジャ３の外周との間から漏れてきた液を貯留するためにポンプ室８ａ側が開口した矩形の空間１０ａが設けられている。空間１０ａはプランジャ３と同軸のリング状に設けられ、プランジャ３の軸方向の断面形状が矩形である。この実施例では、空間１０ａ内にリング状の弾性部材が設けられている。

プランジャシール１０の背面を支持するバックアップリング１１の内径は、プランジャシール１０の内径よりも大きくバックアップリング１１を支持する洗浄チャンバ１２の壁面のプランジャ３を貫通させる孔１４よりも小さくなっている。バックアップリング１１は例えばＰＥＥＫ樹脂等からなるリング状の部材である。

バックアップリング１１は、最大外径部１１ａと小外径部１１ｂの２つの円筒部からなる。最大外径部１１ａはプランジャシール支持面側（図において左側）に設けられ、バックアップリング１１において最大の外径を有する部分である。最大外径部１１ａの外径は、ポンプヘッド８の凹部２０ｂの内径と略同一であり、小外径部１１ｂの外径は最大外径部１１ａの外径よりも小さくなっている。これにより、小外径部１１ｂの外周面と凹部２０ｂの内面との間に隙間が生じている。

すなわち、バックアップリング１１の外周面には段差があり、外周面のうちプランジャシール支持面側の周面のみが凹部２０ｂの内面と接触し、それ以外の周面は凹部２０ｂの内面と接触しない。これにより、バックアップリング１１の外周面全体が凹部２０ｂの内面と接する場合よりも凹部２０ｂの内面との接触面積が小さくなり、バックアップリング１１を凹部２０ｂに嵌め込む際や凹部２０ｂから取り外す際の摩擦抵抗が低減される。したがって、ポンプヘッド８に対するバックアップリング１１の着脱が容易である。

バックアップリング１１の厚みは、バックアップリング１１が高圧条件下での送液にも耐え得る強度を有するような厚み、例えば２ｍｍ程度である。さらに、外周面が凹部２０ｂの内面と接してバックアップリング１１の位置決めを行なう最大外径部１１ａの厚みは、高圧条件下での送液時にプランジャシール１０側からの変形圧力に耐え得るような厚み、例えば０．９ｍｍ程度である。

最大外径部１１ａの厚みは、高圧条件下での送液時にプランジャシール１０側からの変形圧力に耐え得るような厚み以上であればいくらでもよいが、凹部２０ｂの内面とバックアップリング１１の外周面との間の摩擦抵抗を十分に低減してポンプヘッド８に対するバックアップリング１１の着脱を容易にするために、最大外径部１１ａの厚みはバックアップリング１１全体の厚みの５０％以下であることが好ましい。

また、ポンプヘッド８に対するバックアップリング１１の位置決めを安定して行なうために、凹部２０ｂの内径と最大外径部１１ａの外径との寸法差は０．０１ｍｍ以下であることが好ましい。バックアップリング１１の外周面全体が凹部２０ｂの内面と接触するような場合、凹部２０ｂの内径と最大外径部１１ａの外径との寸法差を０．０１ｍｍ以下にすると、凹部２０ｂの内面とバックアップリング１１の外周面との間の摩擦抵抗が大きくなりすぎて、ポンプヘッド８に対するバックアップリング１１の着脱が困難になるが、この実施例のように、バックアップリング１１を最大外径部１１ａと小外径部１１ｂによって構成することで、そのような寸法差の設計が可能である。

なお、バックアップリング１１の構造は上記実施例のものに限られない。例えば、図２に示されているように、バックアップリング１１の外周面を、途中からポンプボディ２側（図において右側）へ向かって外径が小さくなるように傾斜したテーパ形状としてもよい。この場合、バックアップリング１１のプランジャシール支持面側（図において左側）の部分１１ａは最大外径部となり、この最大外径部１１ａの外径は凹部２０ｂの内径と略同一である。そして、最大外径部１１ａよりもポンプボディ２側の部分が最大外径部１１ａよりも外径の小さい小外径部１１ｂとなる。

図２の構造によっても、図１の実施例と同様に、バックアップリング１１の外周面全体が凹部２０ｂの内面と接する場合よりも凹部２０ｂの内面との接触面積が小さくなり、バックアップリング１１を凹部２０ｂに嵌め込む際や凹部２０ｂから取り外す際の摩擦抵抗が低減される。

バックアップリング１１は、凹部２０ｂの内径と略同一の外径を有する最大外径部１１ａをプランジャシール支持面側にもち、それ以外の部分に最大外径部１１ａよりも小さい外径をもつ小外径部が設けられているものであれば、いかなる構造であってもよい。

２ ポンプボディ
３ プランジャ
４ クロスヘッド
６ 弾性体
８ ポンプヘッド
８ａ ポンプ室
８ｂ 液入口流路
８ｃ 液出口流路
９ａ，９ｂ チェック弁
１０ プランジャシール
１１ バックアップリング
１１ａ 最大外径部
１１ｂ 小外径部
１２ 洗浄チャンバ
１４ 孔
１６ 洗浄シール
２０ａ，２０ｂ 凹部

Claims (5)

1. プランジャ方式の送液ポンプのポンプヘッドに設けられたポンプ室を封止するプランジャシールの背面に接して該プランジャシールを支持するプランジャシール支持面側に最大外径をもつ円筒形状の最大外径部と、前記最大外径部以外の部分の少なくとも一部に前記最大外径部よりも小さい外径をもつ小外径部とを有するバックアップリング。
2. 前記最大外径部の外径は、前記ポンプヘッドに形成された凹部の内径と略同一である請求項１に記載のバックアップリング。
3. 前記小外径部も円筒形状を有する請求項１又は２に記載のバックアップリング。
4. 前記小外径部の外周面は前記プランジャシール支持面側から前記プランジャシール支持面とは反対側の面側へいくにしたがって外径が小さくなるように傾斜したテーパ形状を有する請求項１又は２に記載のバックアップリング。
5. 液体を吸入するための液入口、前記液入口から吸入された液を貯留するためのポンプ室及び前記ポンプ室内の液を吐出するための液出口を備えたポンプヘッドと、
   前記ポンプヘッドに先端側が挿入され前記ポンプヘッド内で摺動するプランジャと、
   前記ポンプヘッドの前記プランジャ挿入部分に取り付けられ前記ポンプヘッドとプランジャとの間の隙間を封止するリング状のプランジャシールと、
   前記プランジャシールの背面側に設けられて前記プランジャシールの背面を支持する請求項１から４のいずれか一項に記載のバックアップリングと、を備えた送液ポンプ。

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