JP4768709B2

JP4768709B2 - 低摩擦コーティングを備えた弁

Info

Publication number: JP4768709B2
Application number: JP2007501913A
Authority: JP
Inventors: ウソビツチ，ジエームズ・イー; チヨルコシユ，テオドール・デイ; レメリン，マーク
Original assignee: ウオーターズ・テクノロジーズ・コーポレイシヨン
Priority date: 2004-03-05
Filing date: 2005-03-02
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2025-03-02
Also published as: US8281812B2; GB2439157A; DE112005000408T5; GB2439157B; JP2007526974A; US20080258094A1; GB0615342D0; WO2005093300A1

Description

本出願は、２００４年３月５日に出願の米国特許仮出願第６０／５５０７８２号の優先権を主張する。参照によりこの出願の内容を本明細書に組み込む。

本発明は、弁、特に弁が開放と閉鎖のサイクルの繰り返し、ならびに過激な溶媒に晒される、化学分析機器で使用する高圧弁に関する。

本発明は、荷重下で移動する部品を有する弁に関する。これらの部品は、多くの場合、流体の完全性を保持しなければならない。即ちこのような部品は、流体を漏洩してはならない。しかし弁が、開放位置と閉鎖位置の間で循環されるにつれて、移動部品にかかる荷重が摩耗を引き起こす。分析機器で使用される弁の移動部品、一般的には固定子と回転子への荷重は、相当の大きさになる可能性がある。高性能クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）ポンプなどの分析機器は、一般的に約２１ＭＰａ（１平方インチ当たり最高３０００ポンド（ｐｓｉ））で動作する。さらに高い圧力での動作にも大きな興味が集まっている。本明細書は、「超」という言葉を、約２８ＭＰａ（約４０００ｐｓｉ）を超える圧力を指すものとして使用する。しかし、約０．６９ＭＰａ〜数ＭＰａ（１００〜数百ｐｓｉ）の低圧力で動作して、大きなサイクル数を示す多くの流体構成要素が存在する。

システムの圧力が増大するにつれて、弁の移動部品の摩耗も増大し、弁が耐えることのできるサイクル数が低下する。一般的な弁は、こうした超高圧力では１５０，０００サイクルしか耐えられない。

高圧力で動作する能力があり、１５０，０００回を超えても耐久力を示す弁が極めて望ましい。

本発明の実施形態は、流体の流れを制御する方法および装置を特徴とする。流体の流れを制御する装置の一実施形態は、回転子、固定子、および圧縮手段を備える。回転子は、回転子流体連通手段と、少なくとも１つの回転子負荷支持面とを有する。回転子負荷支持面は、固定負荷支持面と密封可能に係合する。回転子は、回転によって第１の位置と第２の位置をとることが可能である。固定子は、固定子流体連通手段を有する固定負荷支持面を有する。固定負荷支持面は、回転子負荷支持面と密封可能に係合し、回転子が、固定子に対して回転できるようにする。回転子の回転は、回転子流体連通手段と固定子流体連通手段とが、流体の流れを防止する第１の位置と、回転子流体連通手段と固定子流体連通手段とが、流体を流れるようにする第２の位置とをもたらす。回転子負荷支持面と前記固定負荷支持面のうち少なくとも一方は、ダイアモンド状の炭素シリカコーティングを有する。圧縮手段は、固定子と回転子を保持する。固定子と回転子は、回転子負荷支持面と固定負荷支持面が密封可能に係合された状態で保持される。ダイアモンド状の炭素シリカコーティングは、低摩擦および硬度増大をもたらして、前記第１の位置と第２の位置の間との繰り返し移動を可能にする。

実際、本発明の実施形態は、９００，０００サイクルを超えることが可能である。このサイクル数は、ダイアモンド状の炭素シリカコーティングのない弁が過去に達成した数の６倍を越える。これらの結果は、驚くべきであり、予想外のものである。

圧縮手段は、ハウジングであることが好ましい。一般的な弁ハウジングは、前記回転子を受けとるチャンバと、少なくとも１つの固定子を保持する手段とを有する。固定子を保持する手段は、当技術で知られており、締具と、ねじと、固定子およびハウジングの協働ねじ山とを備えることができる。

固定子流体連通手段は、前記固定子に少なくとも１つの固定子開口部を備えることができる。固定子開口部は、導管と流体連通するように配置される。固定子は、２つの固定子開口部を有することが好ましく、その一方は流入導管と連通し、他方は排出導管と連通する。代替方法として、ハウジングが、流体を導管と連通するように配置する開口部と、回転子流体連通手段とを有することもできる。回転子流体連通手段は、少なくとも１つの開口部と、２つ以上の固定子開口部を流体連通するように配置するチャネルとを備える。

ダイアモンド状の炭素シリカコーティングは、４０％〜９０％の炭素と、２０％〜４０％の水素と、０．０１％〜５％のシリカ炭素とであることが好ましいが、５０％〜８０％の炭素と、２５％〜３５％の水素と、０．１％〜５％のシリカ炭素基とであることがより好ましい。好ましいダイアモンド状の炭素シリカコーティングは、（アメリカ合衆国ペンシルバニア州アレンタウンの）ＭｏｒｇａｎＡｄｖａｎｃｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＤＬＣコーティングである。

回転子と固定子のうち少なくとも一方は、ポリエーテルエーテルケトン、テトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトンとテトラフルオロエチレンの混合物、ステンレススチール、チタニウム、およびアルミニウムから選択された材料から構成されることが好ましい。ポリエーテルエーテルケトンとテトラフルオロエチレンの好ましい混合物は、５０％〜９０％のポリエーテルエーテルケトンと、１０％〜５０％のテトラフルオロエチレンとを有する。より好ましくは、混合物は、６０％〜８０％のポリエーテルエーテルケトンと、２０％〜４０％のテトラフルオロエチレンとを有する。

回転子と固定子のうち少なくとも一方は、ステンレススチール、チタニウム、およびアルミニウムから作られ、前記回転子と固定子のうちの少なくとも一方は、ポリエーテルエーテルケトン、テトラフルオロエチレン、およびポリエーテルエーテルケトンとテトラフルオロエチレンの混合物から構成されることが好ましい。回転子と固定子は、ステンレススチール、チタニウム、およびアルミニウムから構成され、好ましくはダイアモンド状の炭素シリカコーティングを有する。

本発明の別の実施形態は、流体の流れを制御する方法を含む。この方法は、回転子、少なくとも１つの固定子、および圧縮手段を有する装置を提供するステップを含む。回転子は、回転子流体連通手段と、少なくとも１つの回転子負荷支持面とを含み、この回転子負荷支持面は、固定負荷支持面と密封可能に係合する。回転子は、回転によって第１の位置と第２の位置をとることが可能である。固定子は、固定子流体連通手段を有する固定負荷支持面を有する。固定負荷支持面は、密封可能に係合する。回転子が第１の位置にある時、回転子流体連通手段と固定子流体連通手段とが、流体の流れを防止する。回転子が第２の位置にある時、回転子流体連通手段と固定子流体連通手段は、流体を流れるようにする。回転子負荷支持面と固定負荷支持面のうち少なくとも一方は、ダイアモンド状の炭素シリカコーティングを有する。圧縮手段は、回転子負荷支持面と固定負荷支持面を密封可能に係合した状態で、固定子と回転子を保持する。ダイアモンド状の炭素シリカコーティングは、低摩擦をもたらし、それが塗布された表面の硬度を増大させて、第１の位置と第２の位置との間の繰り返し移動を可能にする。この方法は、回転子を第１の位置と第２の位置の一方から他方の位置に回転させて、流体の流れを制御するステップをさらに含む。

この方法および装置の実施形態は、流体の流れを制御する装置、即ち弁を、３００，０００サイクル〜９００，０００サイクル、またそれを超えて循環させることを可能にする。これらおよび他の特徴および利点は、以下の図面と詳しい記述を検討すれば、個々の当業者に明らかとなろう。

本発明の特徴の実施形態を、流体の流れを制御する方法および装置に関して詳しく説明する。しかし、当業者は、本発明の特徴を、他の装置にも同様に適用できることを認識するであろう。本発明の実施形態は、圧力下の流体を含む必要のあり得る任意の用途の移動部品として使用できる。

次に図１を参照すると、全体を符号１１で示す、流体の流れを制御する装置を分解図でここに表す。装置１１は、回転子１３、固定子１５、および圧縮手段１７を備える。

図２で最もよく分かるように、回転子１３は、チャネル２１の形態の回転子流体連通手段と、少なくとも１つの回転子負荷支持面２３とを有する。回転子負荷支持面２３は、固定子１５に関して述べる固定負荷支持面２５と密封可能に係合する。回転子１３は、回転によって、固定子１５に対して第１の位置と第２の位置をとることができる。回転子１３は、支持面として機能する環状壁２７を有する。回転子１３は、楕円形溝２９を有する。楕円形溝２９はシグナリングフラグ３１と協働する。シグナリングフラグ３１は、楕円形溝２９に乗る指部３３を有する。シグナリングフラグ３１は、回転子１３の位置に応じて固定子１５から突出し、または固定子１５に向かって引き込まれる。

次に図１および図３を参照すると、固定子１５は、２つの開口部３９ａおよび３９ｂの形態の固定子流体連通手段を有する固定負荷支持面２５を有する。固定負荷支持面２５は、回転子負荷支持面２３と密封可能に係合し、回転子１３が固定子１５に対して回転できるようにする。

固定子１５は、シグナリングフラグ３１を保持する、また滑動可能にそれと係合する、フラグチャネル４１ａを有する。支持チャネル４１ｂは、固定負荷支持面２５を取り囲んで、回転子１３の位置合わせをし易くする。

回転子１３の回転は、回転子流体連通手段と固定子流体連通手段とが、流体の流れを防止する第１の位置をもたらす。回転子１３の回転は、回転子流体連通手段と固定子流体連通手段とが、流体を流れるようにする第２の位置をもたらす。即ち、一方の位置で、チャネル２１は、固定子１５の開口部３９ａおよび３９ｂと流体連通するように位置合わせされ、一方の位置では、チャネル２１は、開口部３９ａおよび３９ｂのうちの一方または両方と位置合わせされない。当然ながら、当業者は、弁が２つより多くの位置を有することができることを認識するであろう。「第１の位置」と「第２の位置」は、１つよりも大きい任意の数を含むように意図している。

代替方法では、回転子１３は、固定子１５の開口部３９ａおよび３９ｂなどの、１つまたは複数の開口部と協働する（図示しない）１つまたは複数の開口部を有することができる。この実施形態では、（図示しない）第２の固定子を使用して、回転子１３の開口部と協働させる。この第２の固定子は、固定子１５のようにさらに開口部を有し、または回転子１３のように１つまたは複数のチャネルを有する。

固定子１５と回転子１３は、回転子負荷支持面２３と固定負荷支持面２５が密封可能に係合した状態で保持される。回転子負荷支持面２３と前記固定負荷支持面２５のうちの少なくとも一方が、ダイアモンド状の炭素シリカコーティングを有する。ダイアモンド状の炭素シリカコーティングは、低摩擦および硬度増大をもたらし、前記第の１位置と第２の位置との間の繰り返し移動を可能にする。

ダイアモンド状の炭素シリカコーティングは、４０％〜９０％の炭素と、２０％〜４０％の水素と、０．０１％〜５％のシリカ炭素とであることが好ましいが、５０％〜８０％の炭素と、２５％〜３５％の水素と、０．１％〜５％のシリカ炭素基とであることがより好ましい。好ましいダイアモンド状の炭素シリカコーティングは、（アメリカ合衆国ペンシルバニア州アレンタウンの）ＭｏｒｇａｎＡｄｖａｎｃｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ，Ｉｎｃ．から入手可能なＤＬＣコーティングである。ダイアモンド状のシリカコーティングと、そのようなコーティングを、固定負荷支持面２５および回転子負荷支持面２３のような表面に塗布する方法とを、以下の米国特許、すなわち、米国特許第４３８２１００号、米国特許第５１３５８０８号、米国特許第５１９０８０７号、米国特許第５２６８２１７号、米国特許第５５０６０３８号、米国特許第５５０８０９２号、米国特許第５５０８３６８号、米国特許第５５２７５９６号、米国特許第５６１８６１９号、米国特許第５６３５２４５号、米国特許第５６４３４２３号、米国特許第５６５３８１２号、米国特許第５６７９４１３号、および米国特許第５８４４２２５号で教示している。

回転子１３と固定子１５のうち少なくとも一方は、ポリエーテルエーテルケトン、テトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトンとテトラフルオロエチレンの混合物、ステンレススチール、チタニウム、およびアルミニウムから選択された材料から構成されることが好ましい。ポリエーテルエーテルケトンとテトラフルオロエチレンの好ましい混合物は、５０％〜９０％のポリエーテルエーテルケトンと、１０％〜５０％のテトラフルオロエチレンとを有する。より好ましくは、混合物は、６０％〜８０％のポリエーテルエーテルケトンと、２０％〜４０％のテトラフルオロエチレンとを有する。

回転子１３と固定子１５のうちの少なくとも一方は、ステンレススチール、チタニウム、およびアルミニウムから作られ、前記回転子１３と固定子１５のうちの少なくとも一方は、ポリエーテルエーテルケトン、テトラフルオロエチレン、およびポリエーテルエーテルケトンとテトラフルオロエチレンの混合物から構成されることが好ましい。回転子１３と固定子１５は、ステンレススチール、チタニウム、およびアルミニウムから構成され、好ましくはダイアモンド状の炭素シリカコーティングを有する。図示するように、回転子１３は、ステンレススチールから作られ、回転子負荷支持面２３は、ダイアモンド状の炭素シリカコーティングを有する。

回転子１３を第１の位置および／または第２の位置へと回転し易くするために、回転子１３は、軸５５に連結または結合される。軸５５の回転は、回転子１３の対応する回転を引き起こす。装置１１の一般的な用途では、軸５５は、（図示しない）モータに結合されることになる。

固定子１５と回転子１３を保持する圧縮手段１７は、ハウジング６１ａおよび６１ｂ、回転子軸受６３、回転子輪６５、ばね６７、および軸受アセンブリ６９を備える。

ハウジング６１ａおよび６１ｂは、下方ハウジングユニット６１ａと上方ハウジングユニット６１ｂを有する。下方ハウジングユニット６１ａは、固定子１５を受け、ねじ７１または（図示しない）ピン、（図示しない）締具、あるいは他の適切な保持装置などの適切な手段によって固定される。下方ハウジングユニット６１ａおよび固定子１５は、一体的な構造物として作ることができる。下方ハウジングユニット６１ａは、平面７５から延びる突起部７３ａおよび７３ｂを有する。突起部７３ａおよび７３ｂは、圧縮手段１７の他の部品を収容する空間を提供する。

下方ハウジングユニット６１ａは、回転子軸受６３を受ける軸受開口部７７を有する。回転子軸受６３は、回転子開口部７９を有する。回転子１３は、回転子軸受６３の回転子開口部７９に保持され、回転子軸受６３は、軸受開口部７７に保持されて、回転子１３が下方ハウジング４１ａ内で回転するのを可能にする。回転子１３または回転子軸受６３は、固定子１５の軸受通路４１に入れ子状に入って、回転子１３を位置決めし易くする。

回転子輪６５は、回転子１３に合わされ、組み合わされた際に目で見え、下方ハウジングユニット６１ａの突起部７３ａと７３ｂの間の空間から突出して、手動操作が可能である。回転子輪６５は、回転子１３を手で回す手段を提供し、（図示しない）コンピュータ手段と通信する（図示しない）光センサによって読み取られるように、（図示しない）光学コードを配置する手段を提供する。

ばね６７は、固定子１５に対して回転子１３および回転子輪６５にバイアスをかける。ばね６７は、回転子軸５５の周りに配置され、軸受アセンブリ６９による組合せと同時に圧縮される。軸保持クリップ８１は、軸５５を上方ハウジングユニット６１ｂ内で保持する。また、上方ハウジングユニット６１ｂは、ねじ８３、ピン、締具、および他の適切な手段によって、下方ハウジングユニット６１ａに固定される。

本発明の別の実施形態は、流体の流れを制御する方法を含む。この方法を、装置１１の動作に関して述べる。この方法は、回転子１３、少なくとも１つの固定子１５、および圧縮手段１７を有する装置１１を提供するステップを含む。回転子１３は、チャネル２１および少なくとも１つの回転子負荷支持面２３を有し、その回転子負荷支持面２３は、固定負荷支持面２５と密封可能に係合する。回転子１３は、回転によって第１の位置と第２の位置をとることが可能である。固定子１５は、開口部３９ａおよび３９ｂを有する固定負荷支持面２５を有する。固定負荷支持面２５は、回転子負荷支持面２３と密封可能に係合する。回転子１３は、回転によって少なくとも２つの位置を有する。回転子１３が第１の位置にある時、チャネル２１と開口部３９ａおよび３９ｂとは位置合わせされず、流体の流れが防止される。回転子１３が第２の位置にある時、チャネル２１と開口部３９ａおよび３９ｂとは位置合わせされ、流体が流れるようになる。

回転子負荷支持面２３と固定負荷支持面２５のうち少なくとも一方は、ダイアモンド状の炭素シリカコーティングを有する。圧縮手段１７は、固定子１５と回転子１３を、回転子負荷支持面２３と固定負荷支持面２５が密封可能に係合された状態で保持する。ダイアモンド状の炭素シリカコーティングは、低摩擦をもたらし、それが塗布される表面の硬度を増大させて、第１の位置と第２の位置との間の繰り返し移動を可能にする。この方法は、流体の流れを制御するために、回転子１３を第１の位置と第２の位置の一方から他方の位置に回転させるステップをさらに含む。

本発明の方法および装置の実施形態は、流体の流れを制御する装置、即ち弁が、３００，０００〜９００，０００サイクル、またそれを超えて循環させることを可能にする。実際、本発明の実施形態は、９００，０００サイクルを超えることが可能である。このサイクル数は、ダイアモンド状の炭素シリカコーティングのない弁によって過去に達成された数の６倍を越える。これらの結果は驚くべきであり、予想外のものである。

このように、本発明の実施形態を、以上に記述したが、それは、その記述が、本発明を製造し、使用するについての好ましい実施形態、および最良の態様についての記述であるという理解のもとで行った。当業者は、本明細書で述べた特徴を、さらに修正し、変更できること、したがって本発明をそのように限定するべきではなく、特許請求の範囲の主題を包含すべきであることを認識するであろう。

本発明の特徴を具体化する装置の分解図である。本発明の特徴を具体化する回転子を示す図である。本発明の特徴を具体化する固定子を示す図である。

Claims

流体の流れを制御する装置であって、
ａ．回転子流体連通手段と、少なくとも１つの回転子負荷支持面とを有する回転子を備え、前記少なくとも１つの回転子負荷支持面が、固定負荷支持面と密封可能に係合し、前記回転子が、回転によって第１の位置と第２の位置をとることが可能であり、前記装置がさらに、
ｂ．固定子流体連通手段を有する前記固定負荷支持面を有する少なくとも１つの固定子を備え、前記固定負荷支持面が、前記回転子負荷支持面と密封可能に係合し、前記回転子が前記固定子に対して回転できるようにし、前記第１の位置で、前記回転子流体連通手段と前記固定子流体連通手段とが、流体の流れを防止し、前記第２の位置で、前記回転子流体連通手段と前記固定子流体連通手段とが、流体を流れるようにし、前記回転子負荷支持面と前記固定負荷支持面とのうち少なくとも一方が、ダイアモンド状の炭素シリカコーティングを有し、前記装置がさらに、
ｃ．前記少なくとも１つの固定子と前記回転子を、前記回転子負荷支持面と前記固定負荷支持面が密封可能に係合された状態で保持する圧縮手段を備え、前記ダイアモンド状の炭素シリカコーティングが、低摩擦および硬度増大をもたらして、前記第１の位置と前記第２の位置との間の繰り返し移動を可能にする、装置。
前記圧縮手段が、ハウジングであり、前記ハウジングが、前記回転子を受けるチャンバと、前記少なくとも１つの固定子を保持する手段とを有する、請求項１に記載の装置。
前記固定子流体連通手段が、前記固定子の少なくとも１つの固定子開口部であり、前記少なくとも１つの固定子開口部が、導管と流体連通するように配置される、請求項１に記載の装置。
前記回転子流体連通手段が、少なくとも１つの開口部を備える、請求項１に記載の装置。
前記回転子流体連通手段が、２つ以上の固定子開口部を流体連通するように配置するチャネルを有する、請求項３に記載の装置。
前記ダイアモンド状の炭素シリカコーティングが、４０％〜９０％の炭素と、２０％〜４０％の水素と、０．０１％〜５％のシリカ炭素である、請求項１に記載の装置。
前記ダイアモンド状の炭素シリカコーティングが、ＤＬＣコーティングである、請求項６に記載の装置。
前記回転子と前記固定子のうちの少なくとも一方が、ポリエーテルエーテルケトン、テトラフルオロエチレン、ポリエーテルエーテルケトンとテトラフルオロエチレンの混合物、ステンレススチール、チタニウム、およびアルミニウムから選択される材料から構成される、請求項１に記載の装置。
前記ポリエーテルエーテルケトンとテトラフルオロエチレンの混合物の１つが、５０％〜９０％のポリエーテルエーテルケトンと、１０％〜５０％のテトラフルオロエチレンとを有する、請求項８に記載の装置。
前記ポリエーテルエーテルケトンとテトラフルオロエチレンの混合物の１つが、６０％〜８０％のポリエーテルエーテルケトンと、２０％〜４０％のテトラフルオロエチレンとを有する請求項８に記載の装置。
前記回転子と前記固定子のうちの少なくとも一方が、ステンレススチール、チタニウム、およびアルミニウムから構成され、前記回転子と前記固定子のうちの少なくとも一方が、ポリエーテルエーテルケトン、テトラフルオロエチレン、およびポリエーテルエーテルケトンとテトラフルオロエチレンの混合物から構成され、前記回転子と前記固定子が、ステンレススチール、チタニウム、アルミニウムから構成され、前記ダイアモンド状の炭素シリカコーティングを有する、請求項８に記載の装置。
前記回転子が、３つ以上の位置をとることが可能である、請求項１に記載の装置。