JP4025646B2 - 高圧低容量ポンプ - Google Patents
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Description
〔発明の分野〕
本発明は、高圧液体クロマトグラフィに適した、改良された高圧低容量ポンプに関する。
【0002】
〔従来技術の説明〕
厳密に測定された微小容量の液体を非常な高圧で正確に送出するポンプの要望がある。例えば、高圧液体クロマトグラフィ(HPLC)法を行う際、典型的には、メタノール又はイソプロピルアルコール等の液体溶剤を送出するモーター駆動ポンプが使用される。クロマトグラフィカラムの移動相のための溶剤を、より少ない量使用し、それをより高圧で作動させる傾向がある。例えば、数百バールの圧力で1分間当たり約50ナノリットル乃至約250マイクロリットルの範囲の低流量の流体を送出することができるポンプを提供することが望ましい。
【0003】
かかる低流量容量のために設計されたピストンポンプは、このピストンポンプの液体取扱い構成要素の寸法を非常に小さくしなければならないので、必然的に精密になる。サファイヤ又はジルコン等の材料は、精密な寸法公差及び表面公差を非常に小さい寸法で提供することができるので、サファイヤ又はジルコン等で作られた小直径ピストンの使用により、低容量HPLCポンプは利益を得る。しかしながら、これらの材料は脆弱であり且つ容易に破損するので、問題が存在する。高圧低容量ポンプの組立て及び作動中、小さくて精密なピストンの破損を回避することは困難である。
【0004】
〔発明の概要〕
本発明の主目的は、数百バールの高圧で1分間当たりナノリットルのレンジの正確に測定された液体流量を供給することが可能な、改良された高圧低容量ポンプを提供することにある。更に、本発明の目的は、ポンプの組立て及び作動中におけるピストンの破損の問題を解決すると共に、脆弱な材料で作られた微小ピストンを採用することができるポンプを提供すること、スプリングのような機械式ピストン保持の必要を回避するポンプを提供すること、ピストンとピストン駆動装置との厳密且つ高価な心出し作業の必要がないポンプを提供すること、及び、過去に使用されてきたポンプの不利益を解消する高圧低容量ポンプを提供することにある。
【0005】
本発明によれば、概略的には、高圧液体クロマトグラフィ等のための高圧低容量ポンプが提供される。ポンプは、ポンプセクションを含み、このポンプセクションは、ポンプシリンダーと、ポンピングされた流体がポンプシリンダに流入するための通路とそれから流出するための通路とを含む。ピストン組立体は、シリンダーの中を往復動可能なピストンと、第1端でこのピストンを支持するピストンホルダーとを含む。モーターの作動に応答してピストン組立体を往復動させるために、ピストン駆動装置がモーターとピストンホルダーの第2端との間に連結される。ピストンは、約10ミリメートルよりも小さい直径を有する細くて長いロッドである。ピストン駆動装置とピストンホルダーの第2端との相互連結部は、ソケットの中に枢動可能に受入れられる球形部材を有するボール−ソケットカップリングを含む。ソケット内の磁石が、磁力を使用して、球形部材をソケットの中に保持する。
【0006】
本発明は、上述及びその他の目的及び利点と共に、図面に示した本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から良く理解されよう。
【0007】
〔好ましい実施形態の詳細な説明〕
図1を参照すれば、本発明の原理に従って構成され、全体的に10として指示される高圧低容量ポンプが図示されている。ポンプ10は、高圧液体クロマトグラフィ法の溶剤液体移動相を提供するのに有用であり、メタノール、イソプロピルアルコール、アセトニトリル等の溶剤を、少なくとも6百バールの圧力で1分間当たり約50ナノリットル乃至約250マイクロリットルの範囲の低流量でポンピングすることが可能である。
【0008】
これらの望ましい性能特性を達成するために、ポンプ10は、約10ミリメートルよりも小さい直径、好ましくは、約1乃至約3ミリメートルの範囲の直径を有する細くて長いロッドの形態のピストン12を含んでいる。ピストン12は、結晶性材料、好ましくは、サファイヤで、又は、鉱物のような同様の特性を有する材料、好ましくは、ジルコンで作られるのが良い。かかる材料の利点は、厳密な公差と表面特性を有するこれらの材料を、本発明に必要な非常に小さい寸法で提供することができることにある。この材料及び寸法で作られたピストン12の潜在的な不利益は、ピストン12が脆弱であり、ポンプを組立てて作動させるとき、ピストン12が破損し易いことにある。本発明は、この潜在的な不利益を乗り越え、ポンプピストン12の破損の問題を解決する。
【0009】
ポンプ10の更に詳細な説明を続けると、ポンプ10は、端キャップ16を支持するポンプ本体14を含み、端キャップ16には、駆動モーター18が固着されている。駆動モーター18は、マイクロプロセッサの制御の下で正確に回転させることができるステッピングモーターであり、マイクロプロセッサは、駆動モーター18の後部のエンコーダからの信号を受信する検出器22からケーブル20を通して提供される位置フィードバック信号を受信する。
【0010】
ピストン12を含むピストン組立体24は、駆動伝達装置28によって駆動モーター18に連結されているピストン駆動装置26によって直線的に往復動され、駆動伝達装置28は、モーター18の回転運動をピストン駆動装置26及びピストン組立体24の直線運動に変換する。ピストン12は、ピストンハウジング36に取付けたポンプヘッド34に機械加工されたポンプセクション32の一部分であるポンプシリンダ30内を往復動し、ピストンハウジング36は、ポンプ本体14に固着されたキャップ38と、キャップ38とポンプヘッド34との間に配置されたスペーサ40とを含んでいる。
【0011】
ポンプヘッド34のポンプセクション32は、流入通路42と、流出通路44とを含み、両者は、ポンプシリンダ30と連通している。ピストン12の周りには、流体がピストン12の表面に沿ってポンプシリンダ30の中に流れるのに十分な隙間があり、流入通路42及び流出通路44は、所望ならば、ポンプシリンダの長さ方向に沿ったその他の箇所、例えば、流入バルブ及び流出バルブをポンプヘッド34の内部に又はその上に直接取付けることが可能な箇所に配置されていても良い。ポンプヘッド34のところに又はそこから遠くに配置された流入バルブ(図示せず)は、ピストン12がポンプシリンダ30から外方に(図1に示す右方に)移動されたとき、流体を流入通路42及びポンプシリンダ30に流入させるように開口する。ポンプヘッド34のところに又はそこから遠くに配置された流出バルブ(図示せず)は、ピストン12がポンプシリンダ30の内方に(図1に示す左方に)移動されたとき開口する。流入バルブ及び流出バルブは、チェックバルブ、又は、ソレノイドバルブのようなマイクロプロセッサー制御バルブであるのが良い。HPLC装置内の移動相連続流を提供するために、複数のバルブ10の組立体が、少なくとも1つのバルブ10が常に流出する流れを提供するように使用される。
【0012】
ピストン組立体24は、ピストンホルダー46を含み、このピストンホルダー46は、その一端に、ピストン12が挿入され且つ固着された、軸線方向に延びる細くて長い孔を有する。ピストンホルダー46は、スペーサ本体40の中のリンスチャンバー48内で往復動する。リンスポート50の中を流れるリンス液体は、リンスチャンバー48の中を通って流れる。ポンピングされた流体は、折畳み可能なベローズシール52によってリンス液体から隔絶され、ベローズシール52は、ピストンホルダー46の溝54内にある一端と、キャップ38とスペーサ本体40との間に捕捉された他端とを有している。図1に示している、ピストン12が完全に延びた位置は、ピストンホルダー46の係止フランジ56がポンプヘッド34にぶつかって係合することによって定められる。
【0013】
駆動伝達装置26は、シャフトカップリング62によって駆動モーター18の駆動シャフト60と軸線方向に整列し且つそれに固着されているねじスクリュー58を有する。駆動伝達装置26は、駆動ねじスクリュー58を軸線方向に受入れる中空の駆動カラー64を含んでいる。駆動カラー64の半径方向に延びる突出部66が、駆動カラー64の回転を防止するために、ポンプ本体14の軸線方向に延びるスロット68に受入れられている。駆動ねじ用ナット70が駆動カラー64の中に取付けられ、駆動ねじスクリュー58と噛合っている。ベアリング72が駆動カラー64を、駆動カラー64がポンプ10の軸線に沿う直線運動をすることができるように支持している。駆動モーター18が駆動シャフト60を回転させるとき、駆動ねじスクリュー58の回転により、それに噛合っている駆動ねじ用ナット70及び駆動カラー64の直線運動が厳密に制御されることになる。
【0014】
本発明によれば、ボールソケット連結部74が駆動カラー64とピストンホルダー46との間の駆動力を伝達する。ピストン12と反対側のピストンホルダー46の端部は、カップリングボール76を構成するために球形である。駆動カラー64の端部は、ボール76を受入れるソケット78を備えている。ボールソケット連結部74を使用することにより、ピストン駆動装置26の軸線とピストン組立体24の運動軸線とを正確に心出しする必要を回避する。厳密な公差のコストが省略され、心ずれによるピストン12の破損が防止される。
【0015】
ボール76をソケット78の中に維持し、ピストン駆動装置26がピストン組立体を押すことと引くことの両方を可能にするために、磁石80がソケット78に組込まれる。ボール78は、スプリングまたはその他の保持装置によって機械的に保持されるのではなく、磁力によって保持される。ソケット78は、ほぼカップ形状であり、マグネット80を保持するためのネスト又は凹所を構成するベース壁82と、ボールを包囲する側壁84とを有する。ボール76を含んでいるピストンホルダー46は、磁石80によって引き付けられる磁気材料、好ましくは、鉄材料で形成される。好ましくはプラスチックからなる、非磁気スペーサ86が、ボール76を磁石80の表面のところに且つ磁石80にきわめて近接して配置し、ソケット78内でのボール76の枢動自在運動を可能にする。磁石80は、レアアース(希土類元素又はその酸化物)、ネオジム−鉄−バロン磁石であるのが好ましいが、その他の材料であっても良い。
【0016】
磁気保持力は、側壁84の中に支持され且つボール76の中央平面を包囲する、軟鉄のような低磁気抵抗材料のリング88によって最大にされる。リング88は、磁石80とボール76を含む低磁気抵抗経路に寄与し、開放端磁束経路をより多くの閉磁束経路を変えることによって、磁気保持力を増大させる。
【0017】
ポンプ10を組立てる際、キャップ38をポンプ本体14に接合すると、ボール76がソケット78に入り込み、マグネット80によってボール76を図1に示す完全に着座した位置に推す。これは、ピストン12に衝撃又は応力を付与しない緩やかで滑らかな運動であり、かくして、破損を回避する。もし機械的な保持装置が使用されていれば、ソケット78へのピストン12の挿入は、ピストンホルダー46に付与される突然の運動又は非軸線方向力に起因した衝撃又は応力による損傷を引き起こす傾向がある。
【0018】
図面に示した本発明の実施形態の詳細を参照して本発明を説明したけれども、これらの詳細は、請求の範囲に記載された本発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に従って構成された高圧低容量ポンプの主軸における断面図である。
【図2】 図1の高圧低容量ポンプのピストン組立体及びピストン駆動装置の拡大断面図である。
Claims (7)
- (A)ピストンと、
(B)ピストンホルダーと、を有し、
前記ピストンホルダーは、第1端と、その第1端と反対側に配置された第2端と、を有し、前記ピストンホルダーの第1端に、前記ピストンが取り付けられ、前記ピストンホルダーの第2端に、ボールが配置され、
(C)さらに、ピストン駆動装置の一端に設けられたソケットを有し、
前記ソケットは、
(1)ベース壁と、
(2)前記ベース壁から軸線方向に延び、前記ボールの少なくとも一部分を取り囲む側壁と、
(3)前記ベース壁内に保持され、前記ボールを前記ソケットの中に磁力を使って保持する磁石と、を有し、
前記ボールと前記磁石との間に配置されたスペーサを更に有する、高圧低容量ポンプ。 - 前記ベース壁と反対側の前記側壁の一端に配置され、軟鉄で作られたリングを更に有する、請求項1に記載の高圧低容量ポンプ。
- 前記リングは、前記ボールの中心を含む平面を包囲する、請求項2に記載の高圧低容量ポンプ。
- 前記ピストンは、10ミリメートル以下の直径を有する、請求項1に記載の高圧低容量ポンプ。
- 前記ピストンは、1乃至3ミリメートルの範囲の直径を有する、請求項4に記載の高圧低容量ポンプ。
- 前記スペーサは、非磁性材料で作られる、請求項1に記載の高圧低容量ポンプ。
- 前記スペーサは、プラスチックで作られる、請求項6に記載の高圧低容量ポンプ。
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