JP5148293B2 - 流体密封接続用の器具および方法 - Google Patents

Description

この出願は、２００５年２月２５日出願の米国特許仮出願第６０／６５６，２４２号の優先権を主張する。この出願の内容は、本明細書で参照により援用する。

本発明は、一般に管継手に関し、より詳しくはクロマトグラフィーシステムで使用するための高圧管継手に関する。

ガスクロマトグラフィーおよび液体クロマトグラフィーは、分析および分離化学で使用されるプロセスである。通常、カラムなどの固定された多孔質材料が容器内に保持され、搬送流体内のサンプル化合物がこの多孔質材料を通過する。いくつかの場合には、この固定された材料は固定された液体試薬で被覆された不活性粉体である。

搬送流体内に含有される様々な異なる化学化合物は、固定相に対して変動する親和性を有する場合がある。結果として、移動流体がクロマトグラフィーカラムを通り移動するとき、様々な化学化合物は、それらの固定相との相互作用に起因して変化する時間だけ遅延させられる。これらの様々な化合物は、異なる時間にカラムから現われ、例えば流体がクロマトグラフィーカラムを去るに際して内部を流れる屈折率計、紫外線検出器またはいくつかの別の分析装置によって個別に検出される。

クロマトグラフィーの開発に向けられた努力の多くが、多孔質固定相を通る移動相の分布および流れを理想的にするであろう装置の設計に充てられてきた。いくつかの仕事が、流体が貫通して流れる構成部品を接続するための端部接続具の設計に向けられてきた。そのような管継手は、一般に漏れ抵抗性がありかつ機械的に安定であるべきであり、カラムの頂部のところでの移動液体の最初の分布を最適にすべきである。他の仕事は、カラムの壁と充填材料の間の流体の優先流れの防止に関してきた。

端部接続具の設計および使用に関連する問題点は、高圧クロマトグラフィーが使用されるとき特に困難である。例えば、１０００から５０００ｐｓｉ（６．９０から３４．５ＭＰａ）またはそれを超える範囲の圧力を液体クロマトグラフィーで使用することができる。それ故に、信頼できるシール技術を使用すべきである。例えば、変形した金属部品の過剰な摩耗なしで、適切なシールを確実にすることに問題が生じる。例えば、いくつかの接続具は、チューブおよび／またはカラム周りで締め付けられるフェルールを有する。使用後、チューブまたはカラムの形状は、端部接続具の締め付け中フェルールに加えられる力によって変形している場合がある。

高圧カラムを閉じるための１つの手法は、圧縮ねじおよびフェルールアセンブリの使用である。そのような器具では、液体入口パイプとカラムの間の液体シールは、パイプをシールしかつ安定化させることの両方のために、入口パイプおよびカラムの口の両方に対してフェルールを圧縮することによって達成される。パイプの所望の位置の維持が、パイプの端部とカラムの間の「死容積」をなくし、かつ望ましくない力でパイプをカラムに押しつけることを防止すために望ましい可能性がある。

本発明は、チューブおよび容器などの流体搬送構成部品間を接続することに伴って生じるシールする力と安定化させる力を切り離すことができるということを具現化することから、一部は生じている。これらの力を切り離すことによって、構成部品間の流体密封シール、および接続された構成部品の機械的安定性に対する改善された制御を得ることができる。

本発明のいくつかの実施形態では、接続器具は導管と容器の間のシールをもたらすフェルール、導管を容器に対して固定するためのコレット、およびフェルールおよびコレットに対して機械的な力を加える１つまたは複数の部材を含む。いくつかの実施形態では、コレットは、導管を容器に向けて押しつけることなく導管の外側軸方向表面を固定する。

本発明の様々な実施形態は、従来のいくつかの接続器具より優れたいくつかの利点を提供する。例えば、いくつかの実施形態は従来型の管継手より小さく、かつ／または約１５Ｋｐｓｉ（１０３ＭＰａ）などのまたはそれより高い、比較的高圧で動作を支持する。

したがって、本発明の一実施形態は、流体導管を容器のオリフィスに接続するための器具を特徴とする。この器具は、可撓性のある接続具、変形可能な接続具、および１つまたは複数の圧縮接続具を含む。可撓性のある接続具は、流体導管の位置を容器のオリフィスに対して固定することができる。変形可能な接続具は、流体導管と容器のオリフィスの間の適切な流体シールをもたらすことができる。圧縮接続具は、流体導管をオリフィスに向けてかつ／またはオリフィスに対して押しつけることなく流体導管を固定するために、可撓性のある接続具を流体導管の表面に向けて押しやることができる。圧縮接続具のうちの少なくとも１つが、変形可能接続具を導管の表面およびオリフィスの両方に向けて押しやる。

本発明の第２の実施形態は、流体導管を容器のオリフィスに接続する方法を特徴とする。この方法は、変形可能接続具を流体導管の表面およびオリフィスの両方に対して押しやるステップと、可撓性のある接続具を流体導管の表面に向かって押しやるステップと、可撓性のある接続具をオリフィスに取付けるステップとを含む。

ポリマーのフェルールなどの変形可能接続具は、流体導管とオリフィスの間に実質的に流体密封するシールをもたらすことができる。可撓性のある接続具は、流体導管の位置を可撓性のある接続具の位置に対して固定することができる。可撓性のある接続具は、オリフィスに直接的にまたは間接的に取付けることができる。例えば、圧縮接続具は可撓性のある接続具を導管に対して押しつけること、および、例えば、ねじ切りされた表面の対合を介してオリフィスに取付けられることの両方を行うことができる。

図面では、同様な参照記号は一般に異なる図を通して同じ部品を示す。また、図面は必ずしも縮尺通りではなく、その代わりに本発明の原理を図示するに際して概して強調がされている。

図１Ａは、本発明の一実施形態による接続器具１００を示す切欠き図である。この器具１００は、圧縮接続具１１０、可撓性のある接続具１２０、および変形可能な接続具１３０を含む。器具１００は、液体またはガスなどの流体の流れを支持する構成部品を接続するために使用することができる。この流体は物質の混合物を含むことができる。器具１００は、例えば、チューブなどの導管を分析測定器に使用されるカラムなどの容器に接続するのに使用することができる。この測定器は、例えば、クロマトグラフィーシステムである。

説明の便宜上、可撓性のある接続具１２０は本明細書では「コレット」として呼ばれ、変形可能な接続具は本明細書では「フェルール」として呼ばれるであろう。しかしながら、これらの術語の使用は、本発明の実施形態をコレットおよび／またはフェルールを含む器具に限定するためのものではないことを理解されたい。さらに、本明細書で説明する実施形態は、導管を完全に取り囲み、導管の周りに配設される連続リングを形成する部分を有する接続具を含むが、代替の実施形態は、導管を部分的に取り囲みかつ／または不連続なリングでしか導管を取り囲まない接続具も含むことができる。

器具１００の構成部品１１０、１２０、１３０は、圧縮接続具１１０がコレット１２０の一部分を軸方向に位置合わせされたチューブの外側表面に対して圧縮し、かつ同時にフェルール１３０をチューブおよび容器に対して圧縮できるように構成される。この圧縮接続具１１０は、中間物として働くコレット１２０を介してフェルール１３０に力を加える。

構成部品１１０、１２０、１３０は、任意の適切な材料から製作することができる。例えば、フェルール１３０は、管継手分野の技術者に知られている適切なポリマーを含む、ポリマーなどの任意の適切な変形可能材料を含む。コレット１２０は、硬質ポリマーおよび／または鋼などの金属などの、任意の適切な可撓性のある材料を含む。圧縮接続具１１０は、管継手分野の技術者に知られているように、例えば、圧縮ねじ用に適した材料、または他の適切な材料から形成される。いくつかの適切な材料には、鋼または他の合金などの金属、ポリマー、および／またはセラミック材料が含まれる。これらの構成部品は任意選択で、例えば、材料の混合物および／または層、および／または被覆を含む。

フェルール１３０は、適切に高圧までの流体の漏れを防止するための、チューブと容器間のシールをもたらす。この圧縮接続具を、例えば、約５０から８０インチ−オンス（０．３５から０．５６Ｎ−ｍ）のトルクで指で締めることによって、約１５Ｋｐｓｉから２０Ｋｐｓｉ（１０３ＭＰａから１３８ＭＰａ）の漏れ抵抗性を得ることができる。

このフェルール１３０は、例えば、２０ｌｂｓ（９．０７ｋｇ）の力でシールすることができる。本発明のいくつかの原理によれば、チューブの位置を固定するために追加の力をフェルールに加える必要はない。したがって、器具１００、チューブ、および／または容器への損傷を避けることができ、器具は繰り返し使用しかつ分解することができる。

いくつかの従来の管継手と異なり、このフェルール１３０は容器に対するチューブの位置を固定する必要はない。この目的のために、コレット１２０が、圧縮接続具１１０に由来する圧力によって加えられる保持力を介してチューブの位置を固定する。このコレット１２０は、圧縮接続具によって行われる直接接触を介して容器に間接的に取付けられる。

図１Ｂは、組立前に（または分解後に）示された構成部品１１０、１２０、１３０を有する、器具１００の３次元図である。構成部品１１０、１２０、１３０は、この図ではチューブを容器に接続する前に（またはチューブを容器から分解した後に）チューブ上に配置されている。

本明細書に含まれる説明からみて、本発明の特徴を組み込んだ器具の代替の実施形態は、流体管継手分野の技術者には明らかであろう。例えば、器具１００と類似する一代替実施形態では、接続具１１０と類似の接続具は、容器のオリフィスのねじ切りされた内側表面と対合するように構成されたねじ切りされた外側表面を有する。コレット１２０などのコレットはステンレス鋼から形成され、フェルール１３０などのフェルールはポリマーから形成される。圧縮ねじを容器のオリフィス内に指で締め込むことによって、適切な力をステンレス鋼コレットおよびポリマーのフェルールに加えることができる。

次に図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、３Ａ、３Ｂ、および３Ｃを参照すると、器具１００がより詳細に描写されている。図２Ａはコレット１２０の３次元図であり、図２Ｂはコレット１２０の横断面図であり、図２Ｃは、図２Ｂに示された断面「Ａ」を通るコレット１２０の長手方向断面図である。コレット１２０は、４つのフィンガー１２０ａおよびフィンガー１２０ａがそこから長手（軸）方向に延びるバンド１２０ｂを含む。このフィンガー１２０ａは、以下で説明するように、圧縮接続具１１０の内側表面と対合するように構成されたテーパの付いた外側表面を有する。

本明細書での説明からみて、本発明の代替の実施形態は、４つより少ないまたは多いフィンガーを有するコレット、あるいはコレットをチューブに対して押しつけることができる十分な可撓性をもたらす代替の構造を含むことができることは明らかであろう。

図３Ａは圧縮接続具１１０の３次元図であり、図３Ｂは圧縮接続具１１０の端面図であり、図３Ｃは、図３Ｂに示された断面Ａを通る圧縮接続具１１０の長手方向断面図である。

この圧縮接続具１１０は、ねじ切りされた部分、およびこのねじ切りされた部分を容器のねじ切りされたオリフィス内に手で締め込むのを助けるためのギザギザの付けられた部分を有する。圧縮接続具１１０のねじ切りされた部分は、コレット１２０を受け、コレット１２０に力を加える内側表面を有する。このねじ切りされた部分は、容器のオリフィスの内側表面上のねじと対合するように構成されるねじを外側表面に有する。

圧縮接続具１１０の内側表面は、この圧縮接続具１１０が容器のオリフィス内にねじ込まれるとき、コレット１２０のフィンガー１２０ａに力を徐々に加えることができるテーパの付いた部分を有する。テーパの付いた部分に関連するテーパ角度は、コレット１２０のフィンガー１２０ａに適切な力を加えることを支持し、他方コレット１２０を介してフェルール１３０に適切な力も加えるように選択することができる。適切なテーパ角度の一例は、図示のように５度である。

本明細書での説明からみて寸法および角度は、コレット１２０に所望の固定力を、かつフェルール１３０に所望のシール力をもたらすように選択できることは明らかである。寸法は、少なくとも部分的に、例えばチューブおよび容器オリフィスの寸法に適合するように選ぶことができる。例えば、接続具１１０およびコレット１２０は、チューブの挿入のための内部通路（貫通穴）をそれぞれ画成することができる。

通路の最狭直径は、例えば約０．０６インチ（１．５２ｍｍ）であり得る、チューブの外側直径に対応するように選択することができる。器具１００の全体寸法は、例えば、１インチ（２５．４ｍｍ）より小さくできる。他の利点に加えこの器具１００は、従来のいくつかの接続器具が可能にするものより、接続器具によって費やされる空間の減少をより容易に提供することができる。

次に図４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ、４Ｅ、４Ｆおよび４Ｇを参照すると、接続のための器具の別の説明のための例が示されている。この器具は第１および第２の圧縮接続具２１０ａ、２１０ｂ、フィンガー２２０ａを有するコレット部分２２０、およびフェルール（図示せず）を含む。任意選択として図示のように、第１の圧縮接続具２１０ａはコレット部分２２０に一体で取付けられている。

図４Ａ、４Ｂ、および４Ｃは、第１の圧縮接続具２１０ａおよびコレット部分２２０の両方を含む一体化された構成部品の３次元図である。この一体化された構成部品は、例えば、ステンレス鋼の単一未加工品を機械加工することによって、単一部片の材料から形成することができる。

図４Ｃは、一体化された構成部品の遠位端から見た端面図である。第１の圧縮接続具２１０ａが容器に取付けられるとき、この遠位端は器具のフェルールを押しつける。

図４Ｄは、断面の位置が図４Ｃに示されている、一体化された構成部品の長手方向断面を示す。この第１の圧縮接続具２１０ａの外側表面は、容器のオリフィスのねじ切りされた表面と対合するねじ切りされた表面を有する。コレット部分２２０の外側表面は、以下に説明するように第２の圧縮接続具２１０ｂと対合するようにねじ切りされ、テーパが付けられている。

第１の圧縮接続具２１０ａは、圧縮接続具２１０ａを例えば容器のオリフィス内に指で締め込むことができるように、握るためのギザギザの付いた表面を有する。圧縮接続具２１０ａは、フェルールに加えられる所望のレベルの力を供給するように、フェルールに対して締め付けることができる。所望のレベルの力は、流体圧力の特定のレベルまでの漏れ抵抗性をもたらすことができる。

図４Ｅ、４Ｆおよび４Ｇはそれぞれ、第２の圧縮接続具２１０ｂの３次元図、端面図、および断面図である。第２の圧縮接続具２１０ｂは、コレット部分２２０と対合する内側にテーパの付いたねじ切りされた表面を有する。このテーパの付いた表面は、第２の圧縮接続具２１０ｂがコレット部分２２０上にねじ込まれるときコレット部分２２０のフィンガー２２０ａに対する増加するレベルの力を供給する。

圧縮接続具１１０は、例えば、ステンレス鋼などの金属から形成することができる。接続具１１０のねじは、潤滑剤として働くように例えば、０．００００３インチ（０．７６μｍ）の厚さを有する金で鍍金することができる。

次に図５Ａ、５Ｂ、５Ｃ、５Ｄ、５Ｅ、５Ｆおよび５Ｇを参照すると、接続のための器具の別の説明のための例が示されている。この器具は圧縮接続具３１０、フィンガー３２０ａを有するコレット３２０、およびフェルール（図示せず）を含む。

図５Ａおよび５Ｂは圧縮接続具３１０の３次元図であり、図５Ｃは圧縮接続具３１０の端面図であり、図５Ｄは図５Ｃに示される断面に沿って取られた長手方向断面図である。接続具３１０の遠位端は、圧縮接続具３１０が容器に取付けられるとき器具のフェルールを押しつける。

この圧縮接続具３１０は、容器のオリフィスの内側にねじ切りされた表面と対合できる、ねじ切りされた外側表面を有する。圧縮接続具３１０は、圧縮接続具３１０を容器のオリフィス内に指で締め込むことができるように、握りかつ回すためのギザギザの付いた外側表面を有する。圧縮接続具３１０は、フェルールに所望のレベルの力を加えるのを可能にするようにフェルールに対して締め込むことができる。所望のレベルの力は、流体圧力の選択されたレベルまでの漏れ抵抗性をもたらす。

この圧縮接続具３１０は、以下で説明するように、コレット３２０のテーパの付いたねじ切りされた表面と対合する、ねじ切りされかつテーパの付いた内側表面も有する。

図５Ｅおよび５Ｆはコレット３２０の３次元図であり、図５Ｇはコレット３２０の端面図であり、図５Ｈは図５Ｇに示される断面に沿って取られた長手方向断面図である。コレット３２０は、圧縮接続具３１０と対合する外側にテーパの付いたねじ切りされた表面を有する。コレット３２０も、コレット３２０を握り、コレット３２０を圧縮接続具３１０内にねじ込むためのギザギザの付いた外側表面を有する。

したがって、この例示的な実施形態の組立の一方法では、チューブと容器の間の適切な流体密封シールをもたらすようにフェルールを押しつけるために、圧縮接続具３１０が最初に容器のオリフィス内にねじ込まれる。次に、コレット３２０のフィンガー３２０ａが、チューブを容器に固定するために圧縮接続具３２０内にねじ込まれる。上記で説明したように、テーパの付いた表面は、構成部品３１０、３２０が一緒にねじ込まれるとき増加する力のレベルをもたらす。

図６は、本発明の一実施形態による接続器具６００の一部分の３次元図である。この器具６００は、第１の圧縮接続具６１０、第２の圧縮接続具６４０、可撓性のある接続具６２０、および図１Ａに示す変形可能接続具１３０などの変形可能な圧縮接続具（図示せず）を含む。

この器具６００は、液体またはガスなどの流体の流れを支持する構成部品を接続するのに使用される。この器具６００は、例えば、チューブなどの導管を分析測定器に使用されるカラムなどの容器に接続するのに使用される。この測定器は例えば、クロマトグラフィーシステムである。

可撓性のある接続具６２０は、例えば、異なる導管深さに対応するように導管上に摺動可能に配設される。図１Ａに示される器具１００と同様に、変形可能接続具は任意選択で、流体導管と容器のオリフィスの間の実質的に流体密封シールをもたらす。

第１の圧縮接続具６１０は、流体導管の位置を実質的に固定するように、流体導管の外側表面に向かって可撓性のある接続具６２０を押しやる。第１の圧縮接続具６１０および／または可撓性のある接続具６２０は、変形可能な接続具を導管の外側表面およびオリフィスの両方に向かって押しやるように、第２の圧縮接続具６４０を変形可能な接続具に押しつける。

任意選択で、第１の圧縮接続具６１０は、第２の圧縮接続具６４０にねじで取付けられる。

本明細書で説明したものの変形形態、改変、および他の実施形態を、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく当分野の技術者は気付くであろう。したがって、本発明は前述の例示的な説明によってではなく、その代わりに特許請求の範囲の趣旨および範囲によって定義されるべきである。

本発明の一実施形態による器具の切欠き図である。 図１Ａの器具の３次元図である。 図１Ａの器具と関連する、コレットの３次元図である。 図２Ａと関連する、コレットの横断面図である。 図２Ｂのコレットの長手方向断面図である。 図２Ａと関連する、圧縮接続具の３次元図である。 図３Ａの圧縮接続具の端面図である。 図３Ａの圧縮接続具の長手方向断面図である。 本発明の一実施形態による、器具の一体化された構成部品の３次元図である。 本発明の一実施形態による、器具の一体化された構成部品の別の３次元図である。 図４Ａの一体化された構成部品の端面図である。 図４Ａの一体化された構成部品の長手方向断面図である。 図４Ａの構成部品と関連する第２の圧縮接続具の３次元図である。 図４Ａの構成部品と関連する第２の圧縮接続具の端面図である。 図４Ａの構成部品と関連する第２の圧縮接続具の断面図である。 本発明の一実施形態による、器具の圧縮接続具の３次元図である。 本発明の一実施形態による、器具の圧縮接続具の別の３次元図である 図５Ａの圧縮接続具の端面図である。 図５Ａの圧縮接続具の長手方向断面図である。 図５Ａの圧縮接続具と関連する、コレットの３次元図である。 図５Ａの圧縮接続具と関連する、コレットの別の３次元図である。 図５Ｅのコレットの端面図である。 図５Ｅのコレットの長手方向断面図である。 本発明の一実施形態による、器具の３次元図である。

Claims (20)

1. 流体導管を容器のオリフィスに接続するための器具であって、
   流体導管の位置を容器のオリフィスに対して実質的に固定するための可撓性のある接続具と、
   流体導管と容器のオリフィスとの間に実質的に流体密封シールをもたらすための変形可能な接続具と、
   流体導管の位置を実質的に固定するために流体導管の外側表面に向かって可撓性のある接続具を押しやり、かつ変形可能な接続具を流体導管の外側表面とオリフィスの両方に向けて押しやるための少なくとも１つの圧縮接続具とを備えており、
   可撓性のある接続具が、変形可能な接続具に対して、径方向の力は与えず、軸方向の力のみを与えるように、可撓性のある接続具は、径方向に延びる境界面で、変形可能な接続具に接触し、
   可撓性のある接続具が、流体導管を受けるための軸方向通路を画成する複数のフィンガーを備える、前記器具。
2. 複数の可撓性のあるフィンガーがテーパの付いた外側表面を画成する、請求項１に記載の器具。
3. 少なくとも１つの圧縮接続具が、複数の可撓性のあるフィンガーの外側表面に圧力を掛けることによってフィンガーを流体導管の外側表面に向けて押しやるテーパの付いた内側表面を画成する、請求項２に記載の器具。
4. 圧縮接続具の内側表面および複数のフィンガーの外側表面がねじ切りされている、請求項３に記載の器具。
5. 可撓性のある接続具がバンドをさらに備え、バンドからは複数のフィンガーが軸方向に延び、バンドが複数のフィンガーと協働して軸方向通路を画成する、請求項１に記載の器具。
6. 可撓性のある接続具がコレットを含む、請求項１に記載の器具。
7. 可撓性のある接続具がステンレス鋼を含む、請求項１に記載の器具。
8. 少なくとも１つの圧縮接続具が可撓性のある接続具に直接接触する単一の接続具から構成される、請求項１に記載の器具。
9. 可撓性のある接続具が変形可能接続具と直接接触し、単一接続具によって変形可能接続具に対して押しやられる、請求項８に記載の器具。
10. 少なくとも１つの圧縮接続具が、可撓性のある接続具を流体導管の外側表面に向かって押しやるための第１の圧縮接続具と、変形可能接続具を流体導管の外側表面とオリフィスの両方に向かって押しやるための第２の圧縮接続具とを備える、請求項１に記載の器具。
11. 第１の圧縮接続具が変形可能接続具と可撓性のある接続具の間に配設される、請求項１０に記載の器具。
12. 第１の圧縮接続具が可撓性のある接続具に固定して取付けられる、請求項１０に記載の器具。
13. 第１の圧縮接続具および可撓性のある接続具が金属材料の単一部片から形成される、請求項１２に記載の器具。
14. 単一接続具の少なくとも一部分が可撓性のある接続具と変形可能接続具の間に配設される、請求項８に記載の器具。
15. 単一接続具が変形可能接続具に直接接触している、請求項１４に記載の器具。
16. 可撓性のある接続具が単一接続具にねじで取付けられ、可撓性のある接続具が変形可能接続具に実質的に力をまったく加えない、請求項１４に記載の器具。
17. 変形可能接続具がフェルールを含む、請求項１に記載の器具。
18. 変形可能接続具がポリマーを含む、請求項１に記載の器具。
19. 容器がクロマトグラフィーカラムを含む、請求項１に記載の器具。
20. 流体導管がチューブを含む、請求項１に記載の器具。

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