JP5666583B2 - 被覆されたステータ表面を有する回転シアーインジェクタ弁 - Google Patents

Description

本出願は、２００９年７月２９日に出願した米国仮特許出願第６１／２２９，３９８号明細書の優先権を主張するものであり、その全体が参照により本明細書に組み込まれている。

本発明は、一般に弁、および、より詳細には可動部品を有し、化学処理装置に使用される高圧弁に関する。

本発明は、負荷を受ける可動部品を有する弁に関する。通常の流体弁は、流体の漏れを回避するように構成される部品を有する。しかしながら、弁は弁状態の間でサイクル運転されるので、可動部品に加えられる負荷が摩耗の原因となる。負荷は、分析機器に使用される弁の可動部品、通常ステータおよびロータに実在し得る。いくつかの分析機器のうちの一部は、高圧で作動し、多くの場合、弁部界面で高圧の使用を必要とする。たとえば、高性能液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）ポンプは、通常、１，０００から５，０００ポンド／１平方インチ（ｐｓｉ）までで作動し、高圧クロマトグラフィー装置は、１０，０００ｐｓｉ以上のまでの圧力で作動する。

システムの圧力が増加すると、弁の可動部品の摩耗が増大する傾向があり、弁の予期サイクル寿命が低減される。非常に高い圧力で作動する多くの弁は、１５０，０００サイクルしか耐えることができない。

本発明は、化学処理装置における摺動部品を有する弁が、少なくとも部分的に非晶質の材料で形成される実質的に滑らかな中間層にＤＬＣ被覆を形成することによって、有利なことに、摺動接触面に実質的に滑らかなダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）被覆を獲得できることを実現することから一部は生まれている。滑らかな被覆は、良好な摩耗率および摩擦係数を与えるが、非晶質の中間層を使用すると、化学処理装置に使用される現存する弁のそれに比して製造の複雑さおよびコストが低減される。したがって、たとえば、本発明は特に、ＨＰＬＣまたは高圧クロマトグラフィー装置に試料を送出するのに使用されるような、改良された回転シアーインジェクタ弁を提供するのに良好に適している。

したがって、本発明の１つの実施形態は、弁を特徴付けるものである。弁は、ロータ基板から少なくとも一部は形成されるロータと、ステータ基板から少なくとも一部は形成されるステータとを含む。ロータおよびステータはそれぞれシール面を有し、弁が組み立てられかつ作動されるときに、ロータおよびステータは、それらのそれぞれのシール面で摺動可能に接触している。ロータおよびステータの一方または両方は、それぞれの接触面に隣接する、少なくとも部分的に非晶質または単結晶の中間層を付着し、中間層にダイヤモンド状炭素を含む表面層を付着することによって形成される接触面被覆を有する。中間層は、実質的に滑らかな表面層の成長のために実質的に滑らかな層を形成し、それにより、いくつかの先行する弁と対照的に機械研磨を必要としない。

本発明の第２の実施形態は、上述の弁を作る方法を特徴付けるものである。

図面は、必ずしも縮尺通りに描かれておらず、その代わりに、全体的に本発明のいくつかの原理を示すことを強調している。

本発明の１つの実施形態による、インジェクタ弁の一部のブロック側面図である。 図１のステータの断面側面図である。 図２Ａのステータのシール面の一部の底部詳細図である。 図１のロータの３次元図である。 図３Ａのロータの接触面の中央部分の上面詳細図である。 接触面の溝を示す、図３Ａのロータの断面詳細図である。 シール面の近くの、図２Ａのステータの一部の断面詳細図である。 先行技術のステータの表面領域の小部分の断面詳細図である。

便宜上、本発明の特徴は、本明細書において、改良された６ポート回転シアーインジェクタ弁の実施形態の説明によって示されている。マルチポートインジェクタ弁は、クロマトグラフィー技術の当業者によく知られている。本説明を考慮すると、当業者は、本発明の特徴が他のタイプのインジェクタ弁、クロマトグラフィーおよび化学処理に使用される他の弁、ならびに、より一般的には、構成部品接触面での摺動運動によるせん断面力を蒙る構成部品を有する他の弁および機械装置に適用できることを理解する。

図１は、本発明の１つの実施形態による、たとえばＨＰＬＣまたは高圧ＬＣに適したインジェクタ弁１００の一部のブロック図である。弁は、ステータ１１０およびロータ１２０を含む（現行の弁で典型的な他の構成部品は、図示されていない）。本発明は、ステータ１１０および／またはロータ１２０の摺動接触面に使用される被覆に関するものである。したがって、簡潔にするために、ステータ１１０およびロータ１２０だけが示され、説明される。

図２Ａは、ステータ１１０の断面側面図である。ステータは、シール／接触面Ａを有し、これは、６つの取付け具Ｆ（２つが示されている）に至る６つのポートを画定する。取付け具Ｆにより、ＨＰＬＣ技術で知られているように、溶媒ポンプ、サンプル源、サンプルループ、廃棄ライン、および分離カラムへの配管接続が可能になる。

図２Ｂは、ステータ１１０のシール面Ａの一部の詳細平面図である。シール面Ａは、上で説明したように、６つの取付け具Ｆのそれぞれについて１つの、６つのポートＰ（開口）を有する。下でより詳細に説明されるように、ステータ１１０のシール面Ａは、ロータ１２０の表面と合わさり、このロータ１２０の表面は、弁１００の作動時に望まれるように、ポートＰの対の間で流体経路を選択可能に形成する形状構成を有する。

図３Ａは、ロータ１２０の３次元図である。ロータ１２０は、３つの貫通孔１２１を有し、これは弁シャフト（図示せず）と係合し、この弁シャフトは、使用時に、ステータ１１０と接触してロータ１２０を押圧しながらロータ１２０を回転させる。また、ロータ１２０は、シール／接触面Ｂに画定される３つの溝１２２を有し、これは、ステータ１１０のシール面Ａと協働して流体導管として働く。

図３Ｂは、ロータ１１０のシール面Ｂの中央部分の詳細平面図である。ステータ１１０およびロータ１２０のシール面Ａ、Ｂが接触している場合、溝１２２は、ステータ１１０のポートＰの対を接続する流体導管を形成する。ステータ１１０に対してロータ１２０を回転させることによって、ポートＰの異なる対が、流体連通するために接続される。

図３Ｃは、溝１２２のうちの１つの断面形状構成を示す、ロータ１２０の小部分の断面詳細図である。この例では、溝１２２の深さは、約２００μｍである。

図４は、接触面Ａの近くの、ステータ１１０の小部分の断面詳細図である。ステータ１１０は、金属製基板１１３と、基板１１３上の実質的に滑らかな中間層１１１と、中間層１１１上の実質的に滑らかな低摩擦表面層１１２とを含む。基板は、３１６ステンレス鋼またはチタンで形成されることが好ましい。中間層１１１は、少なくとも部分的に非晶質であり、表面層１１２に対して良好な成長および密着層を可能にするように選択されることが好ましい。中間層１１１は、ガラス状シリカなどの実質的に非晶質の二酸化珪素で形成されることが好ましい。表面層１１２は、水素および／または珪素などの、他の成分の有りまたは無しのダイヤモンド状炭素１１２で形成されることが好ましい。たとえば、約１０原子％よりも少ない珪素が、任意に含まれる。

層１１１および層１１２は、物理蒸着（ＰＶＤ）、プラズマアシスト化学蒸着（ＰＡＣＶＤ）、イオンビーム蒸着（ＩＢＤ）、またはスパッタ成膜などの知られている技術を含む、任意の適切な蒸着技術によって付着される。たとえば、中間層１１１は、４００℃でテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）のＰＡＣＶＤによって付着される非晶質シリカで形成される。

中間層１１１の厚さは、約０．３μｍから約０．５μｍの範囲にあることが好ましく、表面層１１２の厚さは、約１．０μｍから約３．０μｍの範囲にあることが好ましい。中間層１１１は、表面層１１２に対する成長および密着基材として働く。表面層１１２は、コンフォーマル付着であることが好ましく、これは、中間層１１１の実質的に滑らかな表面を維持する。約０．０２５μｍ以下の平均粗さ（Ｒａ）（すなわち、表面の平均線と表面のすべての点との間の平均距離）を有する接触面Ａを得るために、いかなる研磨も要求されない。

図５は、先行技術のステータ２１０の例についての表面領域の小部分の断面詳細図であり、これは、ステータ１１０に比してより大きな製造の複雑さおよび／または接触面の摩擦を伴う。ステータ２１０は、ステンレス鋼の基板２１３と、基板２１０に付着されるクロム層２１１と、クロム層上のダイヤモンド状炭素層２１２とを含む。層２１１および層２１２は、ＰＶＤまたはＰＡＣＶＤによって付着される。クロム層２１１の厚さは、約０．４μｍであり、ダイヤモンド状炭素層２１２の厚さは、約２．０μｍである。

ダイヤモンド状炭素層２１２の付着の後、ステータ２１０の表面は、（表面に平行な）直径が約０．５μｍから約２．０μｍのノジュール、および約０．０５μｍから約０．１３μｍの垂直方向の平均粗さ（Ｒａ）を有する。この種の粗さは、望ましくないレベルの摩擦の原因となるので、付着したままの表面は、通常、約０．０２５μｍの平均粗さ（Ｒａ）を得るように機械的に研磨される。しかしながら、研磨プロセスは、通常、いくらかの表面損傷を招く。

クロムは、通常、表面凹凸をもたらす柱状結晶成長を示す。表面粗さは、クロムに付着されるダイヤモンド状炭素（ＤＬＣ）または他の材料の望ましくない粗さをもたらす場合がある。本発明のいくつかの構成では、この問題が軽減される。したがって、たとえば、研磨前に、ステータ２１０が約２×１０^７／ｃｍ^２から４×１０^８／ｃｍ^２のノジュール表面密度を有することができる場合、ステータ１１０は、研磨無しで、実質的に全くノジュール無しから２×１０^７／ｃｍ^２よりはるかに小さい範囲までのノジュール表面密度を有する。

弁１００は、被覆された金属ベースのステータ１１０、およびポリマーベースのロータ１２０を有することが好ましい。ステータ基板１１３は、ステンレス鋼、チタン、およびアルミニウムなどの金属を含む任意の適切な材料で形成される。ロータ１２０は、所望の圧力で液密シールを形成できるように選択されるポリマー材料で形成されることが好ましい。ポリマーは、知られている材料を含む任意の適切な材料を含む。

適切なポリマー材料のうちの１つは、（Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＬＣ、Ｌａｎｃａｓｈｉｒｅ、Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍから入手できる）ＰＥＥＫポリマーなどのポリエーテルエーテルケトンである。他のポリマーは、たとえば、（Ｄｕｐｏｎｔ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ、Ｎｅｗａｒｋ、ＤｅｌｗａｒｅからＴＥＦＬＯＮ（登録商標）ポリマーとして入手できる）ポリテトラフルオロエチレン、（Ｆｌｕｏｒｏｔｈｅｒｍ Ｐｏｌｙｍｅｒｓ、Ｉｎｃ．、Ｆａｉｒｆｉｅｌｄ、Ｎｅｗ ＪｅｒｓｅｙからＮＥＯＦＬＯＮ ＰＣＴＦＥフルオロポリマーとして入手できる）クロロテトラフルオロエチレン、ポリクロロトリフルオロエチレン、および変性共重合体フルオロポリマー（たとえば、ＤＵＰＯＮＴ ＴＥＦＺＥＬフルオロポリマーとして入手できるテトラフルオロエチレンおよびエチレンの変性共重合体、これは濃縮硝酸または硫酸に耐性がある）、ならびに（ＤＵＰＯＮＴ ＶＥＳＰＥＬポリイミドとして入手できる）ポリイミドなどの他のポリマーを含む。

実施形態よっては、ロータ１２０は、複合材料で形成される。たとえば、これらの実施形態のうちのいくつかでは、ロータ１２０は、ポリエーテルエーテルケトンなどのポリマーの混合物、ならびに約５重量％のガラス、繊維ガラス、炭素、および／または他の粒子、および／または繊維で形成される。

ロータ１２０は、ポリエーテルエーテルケトンおよびテトラフルオロエチレンの化合物などのポリマーの混合物を任意に含む。ポリエーテルエーテルケトンおよびテトラフルオロエチレンの任意の化合物は、５０％から９０％のポリエーテルエーテルケトンおよび１０％から５０％のテトラフルオロエチレン、または６０％から８０％のポリエーテルエーテルケトンおよび２０％から４０％のテトラフルオロエチレンを有する。

インジェクタ弁１００は、数十万回以上の確実な回転サイクルが可能である。

より一般的には、本発明のさまざまな実施形態は、少なくとも２つの接触部品を含み、そのうちの少なくとも１つは、少なくとも一部が被覆された金属で形成される。インジェクタ１００の本発明の構成は、溶媒流れの中にサンプルを注入するために、知られているインジェクタを含む任意の適切なインジェクタに適用できる。

本明細書において説明したものに関するさまざまな変化、改変および他の実施が、説明した本発明の範囲から逸脱することなく当業者には見出される。たとえば、上述のインジェクタ弁１００のさまざな構成要素の数および／または配置は、本発明の特徴を依然として活かしながら任意に改変されることが明らかである。たとえば、本発明の他の実施形態は、摺動面を有する他のタイプの弁、ならびに通風弁、スイッチング弁、および切換え弁などのＬＣでの適用を含んでいる。したがって、「ロータ」および「ステータ」という用語は、これらの実施形態のいずれの場合も、互いに対して摺動する構成要素を指すように本明細書で使用される。したがって、本発明は、先行する例示的な説明によってではなく、その代わりに以下の特許請求の範囲によって規定されるべきである。

Claims (15)

1. ロータ基板を備えるロータと、
   ステータ基板を備え、ロータの接触面と摺動可能に接触する接触面を有するステータと
   を備えるクロマトグラフィー弁であって、
   ロータおよびステータの一方または両方が、接触面に隣接する少なくとも部分的に非晶質の中間層と中間層上のダイヤモンド状炭素を含む表面層とを備える接触面被覆をさらに備えており、
   表面層が、約０．０２５μｍ以下の平均粗さ（Ｒａ）をもつ未研磨の接触表面を有している、前記クロマトグラフィー弁。
2. 表面層には、実質的にノジュールがない、請求項１に記載の弁。
3. 弁が、ＨＰＬＣまたは高圧回転インジェクタ弁である、請求項１に記載の弁。
4. 中間層が基板と直接接触しており、表面層が中間層と直接接触している、請求項１に記載の弁。
5. 中間層がシリカを含む、請求項１に記載の弁。
6. 中間層が、実質的に非晶質シリカから成る、請求項５に記載の弁。
7. 中間層には、実質的に柱状成長構造体がない、請求項１に記載の弁。
8. ステータ基板が、鋼またはチタンを含む、請求項１に記載の弁。
9. 表面層が、約１０原子％よりも小さい濃度の珪素をさらに含む、請求項１に記載の弁。
10. 中間層が、約０．３μｍから約０．５μｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の弁。
11. 表面層が、約１．０μｍから約３．０μｍの範囲の厚さを有する、請求項１に記載の弁。
12. 接触面を画定するステータ基板を準備するステップと、
    接触面を画定するロータ基板を準備するステップと、
    ロータ基板およびステータ基板のうちの一方または両方の接触面に隣接する少なくとも部分的に非晶質の中間層を付着するステップと、
    ダイヤモンド状炭素を含み、約０．０２５μｍ以下の平均粗さ（Ｒａ）をもつ未研磨の接触表面を有する表面層を、中間層上に付着するステップと、
    各接触面を摺動可能に接触させて配置するステップと
    を含む、クロマトグラフィー弁を作る方法。
13. 中間層が、実質的にシリカから成る、請求項１２に記載の方法。
14. 中間層が、実質的に非晶質である、請求項１２に記載の方法。
15. 表面層が、約１．０μｍから約３．０μｍの範囲の厚さを有する、請求項１２に記載の方法。

Images