JP2685869B2 - 弁ユニット - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （発明の技術分野） 本発明は弁ユニットに関するものであり、特にポンプ
装置用弁装置等に関するものである。このような弁ユニ
ットは、たとえば、ポンプ装置、たとえば１本または数
本のピストンを備えたピストンポンプ、の吸込み口に設
置される入口弁として使用されている。このような入口
弁はポンプの吸入行程中液体を液体源からポンプ内に流
れることができるようにし、排出行程中に送られて来る
液体を液体源に送り返さないようにする。このような入
口弁の一利用分野は液体クロマトグラフィーにおいて液
体を圧縮しクロマトグラフ・カラムに送るのに使用され
るポンプである。

（従来技術およびその問題点） 米国特許第3,810,716号には従来技術にかかる弁ユニ
ットが開示されている。この米国特許では、中空のポン
プ・ヘッドとこの内部の空間内で往復運動するピストン
から構成させている液体クロマトグラフ用ポンプ装置が
示されている。逆止め弁がポンプの吸込み口と出口に設
けられている。逆止め弁は球および対応する弁座と、こ
の球の運動を制御する囲みハウジングとから構成されて
いる。液体が球の支持面と反対の側から球を押すと、球
が弁座から浮き上るので弁が開く。液体が反対側から球
を押すと、弁は閉じる。ポンプ装置では、逆止め弁は吸
込まれまた送られる液体の逆流を防止するように設置さ
れ、ポンプ駆動されている液体は所望方向に強制的に流
す。従って、ポンプの吸入行程中、入口逆止め弁は開い
ており、出口逆止め弁は閉じている。ポンプの排出行程
中はこれと正反対の動作になる。

逆止め弁の開閉挙動、たとえば球が弁座から浮上る距
離または弁の切換え時間は、弁を通る液体の流量と圧
力、液体の粘度、およびその他のパラメータによって変
る。従って、このような弁の動作は完全には再現可能で
はなく、このためポンプ装置から配給される液体の流れ
が変動する。このような変動は、クロマトグラフの測定
結果の正確さを損うので、特に高性能液体クロマトグラ
フィにおいて障害となる。

（発明の目的） 本発明は上述した従来技術の問題点を解消し、その開
閉動作の再現性が高い弁ユニットを与えることを目的と
する。

（発明の概要） 本発明の好ましい実施例によれば、ポンプ装置の吸込
み口の逆止め弁として、制御可能な作動手段によって開
閉することができ、従って逆止め弁の動作の不確実性に
無関係な能動動作をする弁が与えられている。本発明の
好ましい実施例による弁ユニットは弁球とそれに対応す
る弁座を備えた玉弁および弁を開けるために球を弁座か
ら持上げる作動要素から構成されている。従って、弁の
開閉を精密に制御することができ、弁の切換え時間が短
かく保たれ、ポンプ装置から放出される液体の流量が一
層一定になる。代表的な切換え時間は３ミリ秒未満の範
囲にある。本発明を液体クロマトグラフに使用すれば、
一定流量が得られるためクロマトグラフ測定プロセスの
再現性が確実に高くなる。これに加えて、液体クロマト
グラフィに特に不可欠な事項であるのだが、弁ユニット
のむだ容積（dead volume）が小さく、液体または気体
の泡の残りが蓄積されていく領域が実質上無いので、弁
ユニットを容易にフラッシングすることができる。むだ
容積が小さいことおよび弁を容易にフラッシングできる
こととにより、本発明は溶媒の勾配（gradient）を一層
速く変化させることができ、従って数種類の液体をポン
プ装置に到達する前に混合する低圧力勾配動作を行うと
きにクロマトグラフ・プロセスの効率が一層高くなる。

本発明は玉弁に限定されるものではなく、他の形式の
能動的に制御される弁、たとえば円錐プラグと、それに
対応するところの、弁を閉じるためプラグをその中に移
動させることができる弁座から成るもの、にも適用可能
であることが理解される。更に本発明による弁ユニット
はポンプ装置の入口ばかりでなく、弁動作の再現性と信
頼性が不可欠の液体輸送システムの他の場所でも使用す
ることができる。弁ユニットはたとえば液体クロマトグ
ラフでフラッシング弁として使用することができる。

本発明の別の利点として、弁の切換時間が弁を流れる
液体の種類によらないので弁の再現性がポンプ駆動され
る液体の種類の変化に影響されないということがある。
更に、弁の閉鎖に対して液体の逆流を必要としない。ま
た重力が弁に復元力を与える従来の幾つかの弁とは対照
的に、弁動作が弁の空間位置に無関係である。また、本
発明の実施例における弁球の運動は液体の流量、溶媒の
粘度、および他のパラメータに無関係であり、従って再
現性が高くなる一因となる。更に、弁の汚染に対する感
受性が低く、容易にフラッシングができる。弁球が弁座
に固着することは、弁に塩溶液を通してからこの弁を長
い間液体でフラッシングしないでおいたため塩の結晶が
析出するとき等に起ることがある。このような場合に本
発明では弁を再び開けることができるが、これは逆止め
弁では不可能である。本発明の弁ユニットの作動が制御
可能であることにより、シール動作のための要素対、た
とえば、球と弁座、が静電気を帯びた際に両者が固着す
るのを防止できる。これは或る溶媒を使用する場合およ
び或る材料、たとえば、サファイアとルビー、を使用す
る場合に起る現象である。

本発明の一実施例によれば、弁座の球を押出す作動要
素の作動は弾力を与えることにより、たとえば、ばねを
使用することにより、行なうことができる。弾力の大き
さ、たとえば、ばね定数は、球の他の側での液体の圧力
が或る値より低いときにのみ球を弁座から押出すことが
できるように選定される。そうしないと、弁がポンプの
吸入行程の始めに即座に開くとポンプ内の液体が突然膨
張し、これにより特に沸点の低い液体の場合に気泡が形
成されることがある。

（発明の実施例） 第２図は液体クロマトグラフで溶媒をクロマトグラフ
・カラムに配給するのに使用される形式の、高圧で液体
を給送するポンプ装置の概要図である。図示したポンプ
装置は直列に接続された２個のポンプ・ヘッドを備えた
２ピストン・ポンプである。ポンプ・ヘッドは各々ピス
トン32、34を備え、第１のポンプ・ヘッドの入口に本発
明にかかる入口弁31、第１ポンプ・ヘッドと第２ポンプ
・ヘッドの間に逆止め弁33を備えている。入口弁31は外
部制御のもとにブロック31aで概要的に示した作動機構
により開閉することができる能動弁である。逆止め弁33
は第１のポンプ・ヘッドから第２のポンプ・ヘッドへの
液体の流れを許容し、逆方向の液体の流れを禁止する受
動弁であるう。逆止め弁33は弁球を弁座内に押込むばね
を備えることができる。給送すべき溶媒は貯留部30に入
れてあり、入口弁31が開いて第１のピストン32が後退す
ると吸込まれる。図示した例では、ピストン32、34は位
相差180゜で動作する。これはピストン32がその下方死
点にあるときピストン34がその上方死点にあり、またそ
の逆であることを意味する。第１のピストンの行程容積
は第２のピストンの行程容積より大きい。第２のピスト
ンの行程容積は第１のピストンの行程容積の半分である
ことが望ましい。このようにして、ポンプ装置によりク
ロマトグラフ装置に配給される液体の流れを実質的にな
めらかにすることができる。

本発明は第２図に示すポンプ装置に限定されるもので
はないことが理解される。図示したピストンの直列連結
の代りにピストンの並列連結も使用でき、あるいは数個
のピストンまたは１個だけのピストンも使用できる。更
に、本発明は異なる形式のポンプ、たとえばダイアフラ
ム・ポンプとともに使用することもできる。

以下において、第２図に概略を示した入口弁31につい
て第１図を参照して詳細に説明する。入口ポート18は貯
留部30に接続することができ、出口ポート19は第２図に
示すようにポンプ装置の第１ポンプ・ヘッドに接続する
ことができる。弁の内部で、液体は入口ポート18から通
路20を経て一方の側が膜10で封じられている空洞21に流
れる。この空洞21から、液体は通路22および球２と対応
する弁座１とから成る玉弁（もし開いていれば）を通っ
て出口ポート19に流れることができる。

玉弁の弁座１と球２は硬い材料で作るのが望ましい。
たとえばサファイアまたはセラミックの弁座とルビーの
球等である。球２は第１図に示すように予荷重を与えら
れているばね３により弁座１に押込まれている。弁座１
は挿入要素４と弁本体５との間に詰め込まれている。シ
ーリング・ワッシャ６、７はそれぞれ挿入要素４と弁座
１の間および弁本体５と弁座１の間に設けられている。
挿入要素４は、弁座１、球２、ばね３、およびシーリン
グ・ワッシャ６と共に弁本体５の所定位置に押込まれ、
弁座がシーリング・ワッシャ７と接触するようにされて
いる。今述べたプレスばめの代りに挿入要素４と弁本体
５を互いに溶接するか糊づけすることもできる。

第１図において、玉弁が閉じた状態を示してある。弁
は空洞21から通路22と弁座１を通って球２まで延びてい
る作動ピン８により開くことができる。作動ピン８の頭
部は空洞21の中に設置されている。ピン頭部の細部につ
いては以下に第３図を参照して更に詳細に説明する。通
路22の中に延びている作動ピンの部分の断面は実質的
に、長辺が通路22の断面より幾分小さい長方形であるか
ら、作動ピンは通路22の中を動くことができる。作動ピ
ン８の断面が実質上長方形であるため、液体は通路を通
ってピンと通路の壁面との間の隙間に流入することがで
きる。その下端で、ピンは細くなり、玉弁の弁座１を通
って延び、球２に接触している。弁座内部のピンの部分
の直径は、液体がピンと弁座の内壁との間を流れること
ができるように選定されている。

ねじ17と止め輪23は弁をポンプ・ヘッドに取付ける働
きをする。ガスケット24はねじ17と弁本体５との間の摩
擦抵抗による結合を行う。

作動ピン８の頭部が設置されている空洞21は膜10で封
止されている。膜10は弁本体５とアダプタ板９との間に
締付けられている。弁本体５はＶ形溝を備えており、ア
ダプタ板９にはこれに対応する相手側部分がある。これ
ら一対のかみ合い要素の間に膜がクランプされ、膜が張
った状態とされている。

膜10の他の側にはゴム板11が設けられており、これは
作動ピン８の作動時にダンピング要素の役目をする。

作動ピン８はアダプタ板９にたとえば、ねじで接続さ
れているソレノイド12により動かされる。ソレノイド12
はハウジング13、電機子14、ばね15、および止め具16か
ら構成されている。ソレノイド12を作動させるのに必要
な電気コイルがハウジング13に設けられている。ソレノ
イド12が作動すると、電機子14がばね15の弾力に抗して
止め具16の方に引かれる。その結果、作動ピン８には電
機子により力が加えられないので玉弁の球２はばね３に
よって弁座１に押込まれ、従って弁は閉じたままにな
る。弁を開こうとするときは、ソレノイドの作動を解除
するとばね15が電機子14をゴム板11の方に押し、作動ピ
ン８を電機子14から遠くへ変位させる。この変位によ
り、球２を弁座１から浮かすので弁が開く。球２を弁座
１から浮かすことができる最大距離は電機子14がゴム板
11に力を加えないときのピン８の頭部の下縁と空洞21の
壁面との間の距離に対応する。実際的な例によれば、こ
の距離、従って球２の走行距離は0.2mmである。電機子1
4とゴム板11との間の隙間の調節はこれに対応して止め
具16を調節することにより行なうことができる。本発明
の実用例では、この隙間は0.1mmである。第１図の実施
例に使用されているソレノイド12はばね15のばね定数が
以下に更に詳細に説明するように特別に選定されている
ことを除けば従来どおりのソレノイドでよい。

以下に、作動ピン８について第３図を参照して一層詳
細に説明する。作動ピン８は実質上３つの領域から構成
されている。つまりピン頭部40、中央片41、および端部
片42である。作動ピン８を入口弁に挿入すると、ピン頭
部40はその上面が膜10に接触するように空洞21（第１
図）の中に配置され、中央片41は通路22の中に配置さ
れ、端部片42はその底が玉弁の玉２と接触するように弁
座１の中心穴の中に配置される。ピン頭部40には凹部43
があり、これにより、ピン頭部40が電機子14により弁本
体５に向って押されているとき液体が通路20と空洞21か
ら通路22に確実に流入することができる。作動ピン８の
中央片41の断面は実質上長方形であるからピンを挿入し
たとき液体が通路22を通って流れることができるように
なる。端部片42は断面が円形で、ボアを通る液体の通路
として充分の空間が残るような寸法になっている。作動
ピン８の設計の各種修正案が可能であることがわかる。

以下に、本発明による弁の動作を、弁がポンプの入口
に設置されているピストン・ポンプに関連して説明する
（第２図を参照）。弁とポンプの制御は同期されてい
て、ポンプの吸入行程の始めにソレノイドのコイルを通
る電流が中断してソレノイドの磁界が衰え、ばね15が電
機子14を玉弁の方向に押込むようになっている。その結
果、電機子14はゴム板11に打ち当る。ゴム板11は電機子
14の運動エネルギを消費し、これにより膜10を保護す
る。

吸入行程の始めでは、ポンプ内の圧力はなお前の圧縮
／排出行程から生ずる高いレベルにある。この高い圧力
は玉弁にも存在する。それは玉弁がポンプと流体力学的
に接続されているからである。高性能液体クロマトグラ
フィでのポンプ装置で発生する圧力は典型的には400バ
ール（４×10⁷PA）までの範囲である。本発明の一実施
例によれば、ばね15のばね定数は、電機子が自由に動け
るようにソレノイドの作動が解除されても、ポンプ内の
圧力が約10バール（10⁶PA）より大きい限り玉弁が開か
ないようになっている。この場合、ばね15の力は加圧液
体により他方の側から球２に加えられた対抗力に抗して
球２を作動ピンにより弁座１から持上げるには不充分で
ある。このようにスプリングの寸法を決めることによ
り、加圧液体が突然膨張することが避けられる。

ピストンがその取込み行程中に更に後退すると、ポン
プ内の圧力は更に低下する。約10バールにおいて、液体
により球２に加えられる力は、ピン８が球２を弁座から
持上げることができる程に小さくなる。これにより、電
機子14、ゴム板11、膜10、およびピン８は球の弁からの
浮き上りに相当する距離だけ動く。今度は、ポンプは弁
を通して液体を吸込むことができる。

ピストン32が下方死点にあってその運動の方向を変え
始めると、ソレノイドは電流を供給されて再び作動され
るので、電機子14が止め具16の方に引き戻される。対抗
力が存在しないから、ばね３は球２を押戻して弁座に入
れるので、ピン８、膜10、およびゴム板11はその元の位
置に押し戻される、かくして弁が閉まり、ポンプは圧力
を上げて加圧液体をクロマトグラフ・システムに配給す
ることができる。ピストンがその上方死点に戻ると、上
述のサイクルが新しく始まる。

（発明の効果） 以上詳細に説明したように、本発明によれば、強制的
な作動を行なうことにより、動作の確実な弁ユニットが
得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の構造を示す図、第２図は本
発明の一適用例を示す図、第３図は第１図中の作動ピン
の構造を示す図である。 1:弁座、2:球、3:ばね、 4:挿入要素、5:弁本体、 ６、7:シーリング・ワッシャ、 8:作動ピン、9:アダプタ板、 10:膜、11:ゴム板 12:ソレノイド、13:ハウジング、 14:電機子、15:ばね、 16:止め具、17:ねじ、 18:入口ポート、19:出口ポート、 20:通路、21:空洞、22:通路、 23:止め輪、24:ガスケット

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】以下の（ａ）ないし（ｄ）を設け、ポンプ
   の周期動作の位相に作動的に応答する能動制御された弁
   ユニット： （ａ）入口と、出口と、前記入口と前記出口との間の流
   路とを有する弁本体； （ｂ）前記流路内に設けられた調節手段； （ｃ）前記弁本体に結合されたポンプの前記周期動作の
   位相上の選択された点を識別し、前記選択された点が識
   別される毎に信号を発生する検知手段； （ｄ）前記弁本体に結合されるとともに、前記調節手段
   に作動的に結合され、前記検知手段からの前記信号に応
   答して、前記調節手段を能動的に制御する付勢手段。
2. 【請求項２】前記付勢手段は前記調節手段への減衰され
   た結合を提供するための運動エネルギー減衰手段を含む
   ことを特徴とする請求項１記載の弁ユニット。
3. 【請求項３】前記調節手段は開位置と閉位置とを有する
   球式逆止め弁と、 前記球式逆止め弁の弁球を前記閉位置に押すバイアス手
   段と を含むことを特徴とする請求項１または２記載の弁ユニ
   ット。
4. 【請求項４】前記付勢手段は 付勢位置と減勢位置との間でバイアスされる電機子を有
   するソレノイドと 前記弁球に接触する第１端と前記電機子に作動的に接触
   する第２端とを有するピンと を含むことを特徴とする請求項３記載の弁ユニット。
5. 【請求項５】前記運動エネルギー減衰手段は前記第２端
   と前記電機子との間に配置され、前記電機子が前記減勢
   位置へ向かって動き前記第２端に作動的に接触する際の
   運動エネルギーを減衰させる柔軟な部材を有することを
   特徴とする請求項４記載の弁ユニット。
6. 【請求項６】前記バイアス手段が前記閉位置において前
   記弁球に与えるところの第１の力と前記弁球に与えられ
   るところの前記第１の力と同じ向きであって所定値より
   も尊い流体圧力との和よりも、前記電機子が前記減勢位
   置において前記弁球に与えるところの前記第１の力と反
   対向きである第２の力の方が小さいことを特徴とする請
   求項４または５記載の弁ユニット。
7. 【請求項７】前記バイアス手段は第１のバネを含み、 前記電機子は第２のバネによってバイアスされる ことを特徴とする請求項４、５または６記載の弁ユニッ
   ト。
8. 【請求項８】前記ポンプはピストンとチャンバとを有す
   るピストンポンプであり、 前記検知手段は前記ピストンの位置を判定して前記ピス
   トンが上死点及び下死点にいるとき前記付勢手段に前記
   信号を与える ことを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または
   ７記載の弁ユニット。