JP4952795B2 - 流路切換えバルブ - Google Patents

Description

本発明は液体クロマトグラフなどに用いる流路切換えバルブに関するものである。

高速液体クロマトグラフにおいては高圧力下において液体の流路を切り換える必要がある。

従来、このような用途における流路切換えバルブとしては、流路に接続されるステータ（固定子）とロータとからなり、互いの平面を接触させつつロータを回転させて流路の切換えを行うものが用いられている（特許文献１参照。）。

そのような流路切換えバルブでは、ステータ側の接触平面には流路につながる開口が設けられ、ロータ側の接触平面にはステータ側の接触平面の２つの開口間を導通させるための切換え溝が設けられている。ステータは流路が接続されたハウジングトップとロータの間に挟まれている。ステータはハウジングトップと別体のものもあるし、一体化されたものもある。ロータは回転シャフトの先端に取り付けられ、ばねなどの弾性部材により切換え溝の液密に必要な力でステータに押し付けられ、ロータとステータが面接触することにより切換え溝からの液漏れが防止されている。そして、ロータは回転シャフトを介して回転駆動力を受けて回転し、ステータ側の開口間の接続状態を切り換えることで流路が切り換えられる。

このような従来の流路切換えバルブの材質として、ロータには樹脂などの柔らかい素材、ステータにはステンレスなどロータよりも硬い素材が使われている。そのため、流路切換えバルブを長期にわたって使用するとロータの接触平面が磨耗する。その結果、流路切換えバルブにおける回転トルクの増大、流体の漏洩、ロータの磨耗した部分に残留した液によるクロスコンタミネーションなどを引き起こすことがある。

また、液漏れを防止するためにロータはステータに対して一定の力で押し付けられているので、ロータの材質が樹脂である場合には回転による摩擦でロータが削り取られて削り屑が発生し、その削り屑が流れていって後段に接続されているカラムの劣化の原因ともなる。

一方、ロータの材質を硬い素材であるセラミックとしたものもある。その場合には樹脂の場合のそのような削り屑は発生しないが、シール性を維持するためにはステータとロータの両方の接触面の表面粗さを細かくし、平坦度も高精度に仕上げる必要がある。しかし、そのような面同士を強い力で押し付けると、いわゆるリンキングと称される鏡面接着現象が生じ、ロータの回転動作を損なうという問題が生じる。

特開平１−３０７５７５号公報

ロータとステータとの間で液密性を保つためにロータは樹脂でできていることが多く、強い力で押し付けられ続けていると、回転する際のロータの磨耗が激しくなりバルブの寿命が短くなるという問題があった。

高圧送液下での液密性が要求される流路切換えバルブの場合はステータに対するロータの押付け力を強くする必要があるが、送液圧力が小さい場合など、用途によってはそれほど強い押付け力を必要としないこともある。しかし、従来の流路切換えバルブはロータをステータに押し付ける力は一定であり、変更することができない。

そこで本発明は、耐久性を向上させる流路切換えバルブを提供することを目的とする。

本発明の流路切換えバルブは、ボディー部と、互いに接する接触平面をもつステータ及びロータの組と、ロータをステータ方向に付勢する弾性部材と、前記弾性部材のストロークを変えることによりロータをステータに押し付ける付勢力を調整する調整機構とを備えたものである。

ステータは、複数の流路が接続され、流路のそれぞれに接続される流通口を１つの平面にもち、その平面が内側になるようにボディー部に取りつけられている。ロータはボディ部内に配置され、ステータの前記平面に接触する接触平面をもち、該接触平面にはステータの流通口の内の２つを連通させる少なくとも１つの溝をもち、ボディ部を貫通するシャフトの先端に取りつけられている。ロータはシャフトの回転により回転して前記溝により連通すべき前記流通口を切り換える。弾性部材はボディ部内に圧縮状態で収納されている。

一形態では、ステータとボディ部の接合面が固定部材により着脱可能に固定されている。その場合の調整機構の一例は、前記接合面に形成された互いに嵌合する凹凸部を備え、ステータとボディ部との間の相対的な回転により、前記凹凸部が嵌合した状態の固定位置と該嵌合が外れた状態の固定位置との間で前記ストロークが変化させられるものである。

他の形態では、ロータが取りつけられているシャフトとロータとの接合面が固定部材により着脱可能に固定されている。その場合の調整機構の一例は、前記接合面に形成された互いに嵌合する凹凸部を備え、ロータとシャフトとの間の相対的な回転により、前記凹凸部が嵌合した状態の固定位置と該嵌合が外れた状態の固定位置との間で前記ストロークが変化させられるものである。

本発明は調整機構によりロータをステータ方向に付勢する弾性部材のストロークを変えることができるようにしたので、低圧で送液する場合には弾性部材の押付け力を小さくすることにより、バルブの寿命を延ばすことができるようになる。

また、調整機構として、ステータとロータの接合面又はロータとシャフトの接合面に凹凸部を設け、凹凸部の嵌合状態を変えて弾性部材のストロークを変えるものを採用すれば、弾性部材のストロークの変更を容易に行うことができるようになる。

一実施例の流路切換えバルブをばねのストロークを短くした状態で示す概略断面図である。 同実施例の流路切換えバルブをばねのストロークを長くした状態で示す概略断面図である。 同実施例におけるステータをその接触平面側から示す平面図である。 図２ＡのＸ−Ｘ位置における断面図である。 同実施例におけるボディ部をステータ側から示す平面図である。 図３ＡのＸ−Ｘ位置における断面図である。 ボディ部内に配置されるロータを接触平面側から示す平面図である。 他の実施例の流路切換えバルブにおけるロータ及びシャフトを示す斜視図である。 本発明の流路切換えバルブが適用される一例のオートサンプラを示す流路図である。

符号の説明

１１ ステータ
１２，２６ 凹凸部
１３ 接触平面
１５ ロータ
１７ 接触平面
１９ 流通口
２１ 溝
２２ フランジ
２３ 流路接続部
２５ シャフト
２７ ボディ部
２９ ばね
３１ ボルト

以下に本発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。

［実施例１］
図１Ａ及び１Ｂは一実施例の流路切換えバルブの概略構成図を示し、図１Ａと図１Ｂはステータとボディ部のいずれかを回転させて、弾性部材であるコイルばねのストロークを変化させた２つの状態を示している。図１Ａはストロークを短くした状態、図１Ｂはストロークを長くした状態を表している。図２Ａ，２Ｂは同実施例におけるステータを表し、図３Ａ，３Ｂはボディ部、図３Ｃはボディ部内に配置されるロータを表している。

ステータ１１はステンレス製であり、流路が接続されるハウジングトップが一体化されたものである。ステータ１１はロータ１５と接触する接触平面１３をもち、接触平面１３が内側になるようにボディー部２７に取りつけられている。ボディ部２７はボルト３１によってステータ１１の外周部にネジ止めされている。ステータ１１には流路接続部２３が複数設けられており、ステータ１１の接触平面１３には、ロータ１５の接触平面１７と接する領域に、流路接続部２３のそれぞれにつながる流通口１９をもっている。

ボディー部２７にはボディ部２７を貫通するシャフト２５の先端に取りつけられたロータ１５が配置されている。ロータ１５はステータ１１の接触平面１３に接触する接触平面１７をもち、接触平面１７にはステータ１１の複数の流通口１９の内の２つずつを連通させる円弧状の溝２１をもっている。

シャフト２５はボディ部２７に回転可能に支持されている。ボディ部２７内にはシャフト２５のまわりに弾性部材として例えばコイルばね２９が設けられている。ばね２９はロータ１５とボディ部２７の間に圧縮状態に挿入されており、ロータ１５はばね２９によってステータ１１に押し付けられるように付勢されている。

流路接続部２３、流通口１９及び溝２１の数は特に限定されるものではなく、この実施例では流路接続部２３と流通口１９の数を４とし、溝２１の数を２とする。

流路を切り換える際、シャフト２５を回転させてロータ１５をステータ１１に対して相対的に回転摺動させ、流通口１９と溝２１の接続を切り換える。

ロータ１５は例えば樹脂製である。樹脂製のロータ１５は磨耗するので交換の必要が生じる。ステータ１１を金属製とし、ロータ１５を樹脂製にしているのは、ロータ１５はステータ１１に比べて加工するのが容易であるためである。しかし、この実施例とは反対に、ステータ１１を樹脂製とし、ロータ１５をステンレスなどの金属製としてもよい。

図２及び図３を参照すると、ステータ接触平面１３には凹凸部１２が形成されており、ボディ部２７の接触平面２８にはそれと嵌合する凹凸部２６が形成されている。凹凸部１２と凹凸部２６はそれぞれの接触平面１３，２８の周辺部に対向した２つの凸部をもっている。凹凸部１２と凹凸部２６は、それらの凸部どうしが対向する位置から互いに９０度回転した位置に配置すると、一方の凹凸部の凸部が他方の凹凸部の凹部に嵌合し、他方の凹凸部の凸部が他方の凹凸部の凹部に嵌合するように形成されている。

凹凸部１２及び凹凸部２６の段差の厚さは、例えば０．５ｍｍ程度であるが、その段差の大きさはばね２９のばね定数に依存して設定すればよく、限定されるものではない。

ステータ１１の接触平面１３には複数のボルト穴３２が設けられており、ボディ部２７のボルト穴３４と合わされてボルト３１によって締結されることにより、ステータ１１とボディ部２７の間が着脱可能に固定されるようになっている。ボルト穴３２とボルト穴３４は、凹凸部１２と凹凸部２６の凸部どうしが対向する位置と、その位置から互いに９０度回転して一方の凸部と他方の凹部が嵌合する位置の両方の位置で固定できるように配置されている。

図１Ａはステータ１１とボディ部２７の凹凸部が互いに嵌合した状態である。この状態ではステータ１１がボディ部２７の間に隙間がなく、ばね２９の付勢ストロークが短くなっているためばね力が強くなっている。そのため、ロータ１５のステータ１１への押し付け力が強くなっており、送液圧の高い流路での流路切換えバルブとして使用する場合の状態である。

図１Ａの状態からボルト３１を外し、ステータ１１をボディ部２７に対し、９０°回転させて再びボルト３１を締め付けると、図１Ｂに示す状態になる。この状態は、ステータ１１とボディ部２７に設けられた凹凸部による嵌合が外れて両凹凸部の凸部どうしが接触し、ステータ１１がボディ部２７から両方の凹凸部の凸部の高さを合わせた分だけ離れた状態となる。その結果、ばね２９の付勢ストロークが長くなるためにばね力が弱くなり、ロータ１５のステータ１１への押し付け力が弱くなる。この状態は送液圧の低い流路での流路切換えバルブとして使用する場合の状態である。この状態にすると、ロータ１５のステータ１１への押し付け力の減少によってロータ１５の磨耗は緩和される。

［実施例２］
図４は他の実施例を示したものである。ボディ部２７内に配置されるロータ１５及びシャフト２５を示している。図の上面側がステータ１１との接触面である。ロータ１５にはステータの流路接続部を連通する溝２１が設けられている。この実施例は、ステータ１１とボディ部２７の間は固定されたままであるが、ロータ１５とシャフト２５との接合面が着脱可能である。

ボディ部２７に回転可能に支持されたシャフト２５の先端にはフランジ２２が設けられており、ロータ１５はフランジ２２にボルトによって取りつけられていることによって、シャフト２５に位置決めされて固定されている。図示は省略されているが、フランジ２２とロータ１５の接合面には実施例１に示したのと同様の凹凸部が設けられており、ボディ部２７内には実施例１と同様にシャフト２５のまわりにコイルばねなどの弾性部材がフランジ２２とボディ部２７の間に圧縮状態に挿入されて、ロータ１５はそのばねによってステータに押し付けられるように付勢されている。この実施例でも、ロータ１５をフランジ２２に取り付けているボルトをいったん外し、ロータ１５をフランジ２２に対して相対的に９０度回転させた後に再度ボルトを締め付けることにより、ロータ１５とフランジ２２との接合面の隙間を変更することができ、ばねの付勢ストロークを変更することができる。

図４はロータ１５とフランジ２２との接合面の凹凸部が互いに嵌合した状態である。この状態は、ロータ１５とフランジ２２とが最も接近しているためばねの付勢ストロークが長くなってばね力が弱くなってロータ１５のステータへの押し付け力が弱くなっている状態である。

一方、図４の状態からボルトを外し、ロータ１５をフランジ２２に対して相対的に９０°回転させてロータ１５をフランジ２２の凹凸部の凸部どおしを対向させて再びボルトを締め付けると、ロータ１５がフランジ２２から両方の凹凸部の凸部を合わせた高さの分だけ離れた状態となる。この状態では、フランジ２２とボディ部２７の間の距離が短くなるために、ばねの付勢ストロークが短くなってばね力が強くなり、押し付け力が強くなる。

このように、ロータ１５とシャフト２５の接合面を着脱可能にすることにより、ストロークを変えることができるようになる。この実施例でも、高圧が必要でない場合は低圧バルブとして使用することができ、バルブの寿命を長くすることができる。

本発明の流路切換えバルブが適用される用途の一例として、液体クロマトグラフ用オートサンプラを図５に示す。分析すべき試料液は多数のバイアル（小容量試料ビン）８に予め封入して、ラック８１上に配列されている。このバイアル８から試料を採取するニードル７は、ループ状の可撓管６（以下、ループと記す）によりインジェクタバルブ１に連結されている。ニードル７はまた、図示しない駆動機構に保持されて、バイアル８、洗浄ポート９、インジェクションボート５の間をプログラムに従って自在に移動することができる。

バルブ２は、回転式の６ポジションバルブで、その共通ポートに接続されたプランジャ３により吸入吐出される液体の流路を切り換えるものである。プランジャ３は機械力によって往復運動するように構成されたている。ポートの１つに洗浄液ボトル４が接続されている。６ポートバルブからなるインジェクタバルブ１は液体クロマトグラフ装置１０に配管で連結されており、バルブ１の切換えにより移動相液体の流れの中に試料液を導入するものである。

このようなオートサンプラのバルブ１又はバルブ２として本発明の流路切換えバルブを利用することができる。

このオートインジェクタによる試料注入の操作シーケンスの一例を以下に示す。

（１）インジェクタバルブ１はポートｅ−ｄが連通するポジションにして、バルブ２は図に示すようにポート０−ｂが連通するポジションにおいて、ニードル７をバイアル８に挿入し、プランジャ３を引いて所定量の試料液を吸い上げる。吸い上げた試料液はループ６内に留まり、バルブ２やプランジャ３までは至らない。

（２）ニードル７をバイアル８から抜き、インジェクションボート５に移動させる。

（３）インジェクタバルブ１を動作させて図の状態にし、ループ６内の試料を移動相液体の流路中に導入することで液体クロマトグラフの分析が開始される。

（４）ニードル７を洗浄した後、次に分析すべき試料の入ったバイアル８まで移動させた後、上記の（１）〜（３）の操作を繰り返す。

本発明の流路切換えバルブは、その用途が図５に示したオートサンプラに限定されるものではなく、汎用性をもったものである。

本発明は高速液体クロマトグラフをはじめ、流路の切換えを必要とする分析機器その他の機器に利用することができる。

Claims (2)

1. ボディ部と、
   複数の流路が接続され、前記流路のそれぞれに接続される流通口を１つの平面にもち、前記平面が内側になるように前記ボディ部に取りつけられたステータと、
   前記ボディ部内に配置され、前記ステータの前記平面に接触する接触平面をもち、該接触平面には前記ステータの流通口の内の２つを連通させる少なくとも１つの溝をもち、前記ボディ部を貫通するシャフトの先端に取りつけられて、該シャフトの回転により回転して前記溝により連通すべき前記流通口を切り換えるロータと、
   前記ボディ部内に圧縮状態で収納され、前記ロータを前記ステータ方向に付勢する弾性部材と、
   互いに嵌合する凹凸部からなり、該凹凸部が嵌合した状態の固定位置と該嵌合が外れた状態の固定位置との間で前記弾性部材のストロークを変えることにより前記ロータを前記ステータに押し付ける付勢力を調整する調整機構と、
   を備え、
   前記ステータと前記ボディ部の接合面が固定部材により着脱可能に固定されており、
   前記調整機構の前記凹凸部は前記接合面に形成され、前記ステータと前記ボディ部との間の相対的な回転により、前記凹凸部が嵌合した状態の固定位置と該嵌合が外れた状態の固定位置との間で前記ストロークが変化させられるものである流路切換えバルブ。
2. ボディ部と、
   複数の流路が接続され、前記流路のそれぞれに接続される流通口を１つの平面にもち、前記平面が内側になるように前記ボディ部に取りつけられたステータと、
   前記ボディ部内に配置され、前記ステータの前記平面に接触する接触平面をもち、該接触平面には前記ステータの流通口の内の２つを連通させる少なくとも１つの溝をもち、前記ボディ部を貫通するシャフトの先端に取りつけられて、該シャフトの回転により回転して前記溝により連通すべき前記流通口を切り換えるロータと、
   前記ボディ部内に圧縮状態で収納され、前記ロータを前記ステータ方向に付勢する弾性部材と、
   互いに嵌合する凹凸部からなり、該凹凸部が嵌合した状態の固定位置と該嵌合が外れた状態の固定位置との間で前記弾性部材のストロークを変えることにより前記ロータを前記ステータに押し付ける付勢力を調整する調整機構と、
   を備え、
   前記ロータと前記シャフトの接合面が固定部材により着脱可能に固定されており、
   前記調整機構の前記凹凸部は前記接合面に形成され、前記ロータと前記シャフトとの間の相対的な回転により、前記凹凸部が嵌合した状態の固定位置と該嵌合が外れた状態の固定位置との間で前記ストロークが変化させられるものである流路切換えバルブ。

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