JP6029655B2 - シール摩耗が低減された高圧ポンプ - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２０１１年４月２５日出願の、「Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｐｕｍｐ ｗｉｔｈ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｓｅａｌ Ｗｅａｒ」という名称の米国特許仮出願第６１／４７８，７５０号明細書の出願日遡及の優先権を主張するものであり、その全体は、参照によって本明細書に組み込まれる。

本発明は、一般に、高圧ポンプに関する。より詳細には、本発明は、圧力サイクル中のシール移動によるシール摩耗を低減した高圧ポンプに関する。

摩耗した高圧シールは、ポンプが圧力下で流体を移動させる、液体クロマトグラフィなどの往復式ポンプ用途における一般的な漏出点である。たとえば、液体クロマトグラフィシステムでは、通常１つまたは複数の高圧ポンプが、溶媒を取り込み、液体溶媒組成物をサンプルマネージャに送出し、ここでサンプルは混合物中への注入を待つ。高性能液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）システムは、従来は１，０００ｐｓｉから６，０００ｐｓｉの間の範囲である高圧を用いて、充填カラム内に液体クロマトグラフィに必要とされる流れを発生させる。ＨＰＬＣに対比して、超ＨＰＬＣ（ＵＰＬＣ（Ｒ））システムは、より小さい粒子物質を備えたカラムと、移動相を送出するために２０，０００ｐｓｉに到達し得るまたはこれを超え得る高圧とを使用する。数多くの液体クロマトグラフィシステムでは、２つまたはそれ以上のアクチュエータが、直列または並列の構成で使用される。

さまざまな液体クロマトグラフィ用途では、高圧シールは、ポンプ流体領域内のグランド内に存在する。高圧シールの外径（ＯＤ）は、外部シール表面に対するシールをもたらし、一方で高圧シールの内径（ＩＤ）は、往復式プランジャに対するシールをもたらす。

１つの態様では、本発明は、シール洗浄ハウジングと、ポンプヘッドと、シール組立体と、耐摩耗コーティングとを含むポンプを特徴として有する。シール洗浄ハウジングは、一対の両側表面と、グランドと、これらの表面間でグランドを通って延びる孔とを有する。ポンプヘッドは、シール洗浄ハウジングの表面の一方と当接するシール表面と、シール表面内の第１の開口部から延びるチャンバとを有する。シール組立体は、シール洗浄ハウジングのグランド内に存在し、ポンプヘッドのシール表面と当接するシール表面を有する。耐摩耗コーティングは、ポンプヘッドのシール表面上の、少なくとも、シール組立体のシール表面がポンプヘッドのシール表面と当接する表面領域内にある。一部の場合では、耐摩耗コーティングは、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングまたはチタンコーティングである。

別の態様では、本発明は、ポンプヘッドと、シール洗浄ハウジングと、シール組立体と、耐摩耗コーティングとを含むポンプを特徴として有する。ポンプヘッドは、グランドと、グランドから延びるチャンバとを有する。シール洗浄ハウジングは、シール表面を含む。シール組立体は、ポンプヘッドのグランド内に存在し、シール洗浄ハウジングのシール表面と当接状態にあるシール表面を有する。耐摩耗コーティングは、シール洗浄ハウジングのシール表面上の、少なくとも、シール組立体のシール表面がシール洗浄ハウジングのシール表面と当接する表面領域内にある。一部の場合では、耐摩耗コーティングは、ＤＬＣコーティングまたはチタンコーティングである。

本発明の上記およびさらなる特徴は、添付の図を併用して以下の説明を参照することによってより良好に理解されてよく、図中、同じ参照番号は、さまざまな図における同じ要素および特徴を示す。明確にするために、あらゆる要素が、すべての図において標識されているわけではない。図は、必ずしも原寸通りではなく、その代わりに、本発明の原理の説明に対して重きが置かれる。

液体クロマトグラフィ用途において使用されるアクチュエータ組立体の一実施形態の断面図であり、アクチュエータ組立体は、取り付け式エンコーダを備えたモータと、アクチュエータ本体と、ポンプヘッドと、シール洗浄ハウジングとを備える。 ポンプヘッドと、シール洗浄ハウジングと、プランジャと、低圧および高圧のシール組立体とを含む図１のアクチュエータ組立体の流体部分の拡大断面図である。 ポンプヘッド、シール洗浄ハウジング、および高圧シール組立体を示す図１に示されるアクチュエータ組立体の一部分の分解図である。 ポンプヘッド、シール洗浄ハウジング、および高圧シール組立体を示す図１に示されるアクチュエータ組立体の一部分の分解図である。 図３Ｂのポンプヘッドシール表面を図示し、高圧シール組立体がポンプヘッド上のシール表面と当接する領域を示す図である。

本明細書における「１つの実施形態」または「一実施形態」への参照は、その実施形態に関連して説明された特色、特徴、構造、または特性が、本教示の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書内の特定の実施形態への参照は、必ずしもすべてがその同じ実施形態を参照するわけではない。

本発明の教示は、次に、添付の図に示された本発明の例示的な実施形態を参照してより詳細に説明される。本発明の教示は、さまざまな実施形態および例を併用して説明されるが、本発明の教示がそのような実施形態に限定されることは意図されない。それどころか、本発明の教示は、当業者によって理解されるように、さまざまな代替策、改変形態、および均等物を包含する。本明細書の教示にアクセスする当業者は、追加の実装形態、改変形態、および実施形態、ならびに本明細書に説明される本発明の開示の範囲内にある他の使用分野も認識するであろう。

本明細書で説明されるアクチュエータは、液体クロマトグラフィにおいて一般に使用されるものなどの高圧および低圧の往復式および回転式の用途に使用され得る。アクチュエータ組立体は、チャンバを備えたポンプヘッドと、シール洗浄ハウジングと、ポンプヘッドまたはシール洗浄ハウジング内のグランドと、グランド内に位置する高圧シール組立体とを有する。ポンプヘッドは、入口ポートおよび出口ポートを有し、各々のポートは、チャンバと流体連通している。チャンバ内のプランジャの移動により、流体が入口ポートを通ってチャンバ内に引き入れられ、この流体は出口ポートを通ってチャンバの外に圧送される。

図１は、流体組立体１４に連結された主アクチュエータ本体１２を有するアクチュエータ組立体１０の一実施形態を示し、図２は、流体組立体１４の一部分の拡大図を示している。主アクチュエータ組立体１２は、プランジャ２０に機械的にリンク結合された駆動機構１８を含む。往復式プランジャを併用して説明されているが、本明細書で説明される流体出口機構は、ステータに取り付けられたロータを回転および旋回させるシャフトなどの回転式シャフトを備えたアクチュエータ組立体においても使用され得る。「ロッド」という用語は、本明細書では、往復式または回転式に関わらず、プランジャ、シャフト、ロッド、およびピストンを広く包含するように使用される。支持板２２が、アクチュエータ本体１２に固定される。

流体組立体１４は、支持板２２に固定されたポンプヘッド２４を含む。シール洗浄ハウジング２６は、支持板２２の１つの側部に沿ってポンプヘッド２４の座ぐり内に位置している。圧力変換器３０が、ポンプヘッド２４に固定され、アクチュエータ組立体１０の作動にわたってポンプヘッド２４内の流体の内部圧力を監視する。

ポンプヘッド２４は、チャンバ３２と、孔開口部３４（図３Ｂを参照）と、孔開口部３４を取り囲むシール洗浄ハウジング当接表面３６とを含む。プランジャ２０は、シール洗浄ハウジング２６およびポンプヘッド２４の孔開口部３４を通ってチャンバ３２内へと延びる。シール洗浄ハウジング２６は、流体をパージし、プランジャ表面上に生じ得るあらゆる粒子物質を有するプランジャ２０を洗浄するためのコンパートメントを提供する。高圧シール組立体３８および低圧シール組立体４０は、流体をその適切な場所内に閉じ込める役割を果たし、高圧シール組立体３８は、２０，０００ｐｓｉまでのまたはこれより高い圧力の流体が、シール洗浄ハウジング２６およびポンプヘッド２４の他の望ましくない領域内に漏出しないようにし、低圧シール組立体４０は、洗浄液をシール洗浄コンパートメント内に保つ。この実施形態では、高圧シール組立体３８は、シール洗浄ハウジング２６内のグランド４２内に存在する。ポンプヘッド２４は、さらに、流体がそこを通って受け入れられ、排出される、それぞれ入口ポート５０および出口ポート５２を含む。入口ポート５０は、チャンバの遠隔端部においてチャンバ３２と結合し、一方では出口ポート５２は、チャンバの他方の端部とシール空洞６６を介して流体連通状態にある。

１つの実施形態では、アクチュエータ組立体１０は、バイナリソルベントマネージャ（ＢＳＭ）内のポンプのうちの１つのための独立的に制御可能な２つのアクチュエータのうちの１つである。２つのアクチュエータは直列に連結される。主要アクチュエータと称される一方のアクチュエータは、そのチャンバ３２から引き出された溶媒をアキュムレータと称される他方のアクチュエータに送る。流体の取り込みは、主要アクチュエータのプランジャがチャンバ内で後方向に移動することに応答して起こり、加圧された流体のアキュムレータへの送り出しは、主要アクチュエータのプランジャが前方向に移動することに応答して起こる。入口逆止弁（図示されず）の閉鎖により、加圧された流体が入口ポートではなく出口ポートを通ってチャンバから排出されることが確実になる。アキュムレータは、溶媒組成物を液体クロマトグラフィシステムの下流側の構成要素に送出する。ＢＳＭポンプの実装の一例は、マサチューセッツ州、ミルフォードのＷａｔｅｒｓ Ｃｏｒｐ．によって製造された、ＡＣＱＵＩＴＹ ＵＰＬＣ Ｂｉｎａｒｙ Ｓｏｌｖｅｎｔ Ｍａｎａｇｅｒである。

シールは、高圧レベルで作動するポンプにおける一般的な漏出源である。たとえば、図示されるポンプでは、高圧シール組立体３８は、主要アクチュエータ内で反復される高圧脈動にさらされる。長期にわたる使用後（たとえば数十万から数百万の圧力サイクル）、シール性能は劣化し得、漏出が起こる恐れがある。特に、摩耗は、流体を、ポンプヘッドのシール表面３６とシール組立体３８の当接ＯＤ表面との間の接触面７８（図４を参照）において漏出させることがある。この問題は、ポンプが特定の溶媒（たとえば水とトリフルオロ酢酸（ＴＦＡ）との化合物）を伴って作動する場合により起こりやすい。シール組立体３８のＯＤ部分を受け入れるポンプヘッド２４のシール表面３６は、保護層を有するステンレス鋼から作製することができる。保護層は摩耗し、それによって酸化が加速される恐れがあり、その結果、シール組立体３８の当接ＯＤ部分の形状とほぼ合致するパターンを有する表面が粗面化される。圧力サイクル中、シール組立体３８が移動し続けることにより、粗面化表面はＯＤシール表面を劣化させ、シール組立体３８の作動寿命が短縮される。以下でより詳細に説明されるように、ポンプヘッド２４のシール表面３６に施された耐摩耗コーティングは、表面摩耗を実質的に抑制し、シール組立体３８の寿命を延ばす。

図３Ａおよび図３Ｂは、ポンプヘッド２４、シール洗浄ハウジング２６、および高圧シール組立体３８の分解図を２つの視点から示している。シール表面３６は、シール洗浄ハウジング２６の当接表面５８に対向する表面の少なくとも一部分を備え、チャンバ３２に至る孔開口部３４と、流体を出口ポート５２に導くチャネル６４の一方の端部にある別の開口部７０とを含む。Ｏリング７４（図２を参照）を受け入れるように適合された環状溝７２が、シール表面３６を、シール洗浄ハウジング２６の当接表面５８を受け入れる外側表面７６から分離する。

主要アクチュエータの作動中、高圧シール３８のＩＤ部分５６は、プランジャ移動を受け、高圧シール３８のＯＤ表面６２は、ポンプヘッド２４のシール表面３６に対して移動する。各々の圧力サイクルは、シール組立体３８上に高い負荷をかけ、これを圧縮させ変形させる。圧力が緩和されるたびに、シール組立体３８は移動してその元の位置に戻る。シール組立体３８のこの変形は、通常、その寿命中に数百万回起こり、その結果、ＯＤ表面６２は除々に損傷され得る。図４は、斜線領域７８として、シール組立体３８のＯＤ部分６２がシール表面３６と当接するところ、結果的には表面摩耗の位置を示している。

図示される実施形態では、ポンプヘッド２４のシール表面３６は、未処理の表面と比較して硬さおよび化学的相溶性を向上させる耐摩耗コーティングでコーティングされる。その結果、ＴＦＡなどのさまざまな溶媒は、シール表面３６を酸化させず、シール組立体３８のＯＤ部分６２に対するシール表面３６の摩損性が、実質的に低減される。有利には、シール組立体３８の寿命は延長される。耐摩耗コーティングは、シール表面３６の硬さおよび平滑性を向上させる任意のコーティングでよい。好ましい実施形態では、耐摩耗コーティングは、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングまたはチタンコーティングである。

一部の実施形態では、耐摩耗コーティングは、シール表面３６の限定された領域にのみ施される。たとえば、当接領域７８を含む表面３６の小さい領域だけが、摩耗の低減の利点を実現するために処理されればよい。

耐摩耗コーティングの付着は、通常、露出された表面に施す方が容易であるが、特定の実施形態は、シール組立体の表面を受け入れるグランド内のシール表面を企図する。たとえば、代替の実施形態では、高圧シール組立体３８は、ポンプヘッド２４内のグランド内に配設される。これらの場合、グランドの少なくとも一部分が、露出されたシール表面に関するものに類似する方法により耐摩耗コーティングでコーティングされる。

本発明は、特定の実施形態を参照して示され説明されてきたが、形態および詳細におけるさまざまな変更が、添付の特許請求の範囲において説明されている本発明の趣旨および範囲から逸脱することなくその中に加えられてよいことが当業者によって理解されなければならない。

Claims (8)

1. ポンプであって、
   一対の両側表面、グランド、および両側表面の間をグランドを通って延びる孔を有するシール洗浄ハウジングと、
   シール洗浄ハウジングの両側表面の一方と当接しかつ第１の開口部および第２開口部を有するシ−ル表面を有し、第１の開口部から延びるチャンバを有するポンプヘッドと、
   シール洗浄ハウジングのグランド内に配設され、第１および第２の開口部を囲む表面領域内でポンプヘッドのシール表面と当接するシール表面を有するシール組立体と、
   ポンプヘッドのシール表面上の、少なくとも、シール組立体のシール表面がポンプヘッドのシール表面と当接する表面領域内に配設された耐摩耗コーティングと
   を備える、ポンプ。
2. 耐摩耗コーティングが、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）コーティングを備える、請求項１に記載のポンプ。
3. 耐摩耗コーティングが、チタンコーティングを備える、請求項１に記載のポンプ。
4. ポンプヘッドが、さらに、流体を入口ポートからチャンバに供給するように構成された第１の流体チャネルと、流体をポンプヘッドのシール表面内の第２の開口部から出口ポートまで通すように構成された第２の流体チャネルとを備える、請求項１に記載のポンプ。
5. シール洗浄ハウジングの孔を通り、ポンプヘッドのシール表面内の第１の開口部を通ってチャンバ内へと延びるロッドをさらに備える、請求項１に記載のポンプ。
6. 耐摩耗コーティングが、ポンプヘッドのシール表面の全体に配設される、請求項１に記載のポンプ。
7. シール組立体のシール表面がポンプヘッドのシール表面と当接する表面領域が、環状領域である、請求項１に記載のポンプ。
8. ロッドが、往復式プランジャである、請求項５に記載のポンプ。

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