JP6142002B2

JP6142002B2 - 液体混合装置、および液体クロマトグラフ装置

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Publication number: JP6142002B2
Application number: JP2015556758A
Authority: JP
Inventors: 有吾小野田; 将司富田; 幸一杉本; 八木　隆; 隆八木; 渡邉　哲也; 哲也渡邉
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2014-01-09
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: JPWO2015104976A1; US20160266078A1; US10088459B2; WO2015104976A1

Description

本発明は、液体を混合する液体混合装置、および液体混合装置を用いた液体クロマトグラフに関する。

本発明に関連する技術として、特許文献１がある。特許文献１は、マイクロミキサーに関し、溶媒を混合するための流路溝が刻まれたプレートを積層・接合したのち、混合流体および熱交換媒体の流入・流出用のコネクタを取り付けることで、熱交換機構を持たせた構成について説明されている。

特開２００６−２８１００８号公報

液体クロマトグラフを用いた分析には、複数の溶媒を混合するグラジエントモードと呼ばれる分析手法がある。グラジエントモードでは、複数の溶媒を混合して移動相とするための液体混合装置が用いられる。

近年、分析の高速化および高分離化に伴い、液体クロマトグラフ装置における流体の送液圧力の高圧化が進んでいる。特に、超高速液体クロマトグラフ分析装置では、１００ＭＰａを超える圧力の送液がなされている。しかしながら、特許文献１に開示された液体混合装置の構成においては、上記の高圧送液のような厳しい条件下での分析については考慮されていないため、特に、後付けされた構成部材は高圧に耐えられず、クリープと呼ばれる変形や破損によって液漏れ等が生じることとなる。

また、液体クロマトグラフ用の液体混合装置において、配管とのコネクタ部と、液体を混合する混合部との間に、樹脂パッキン等の部材を挟んで配置する構成においては、圧力が高くなることでパッキンが変形したり抜け出すことで、やはり液漏れしてしまうことがあった。

本発明は、１００ＭＰａ以上の高圧条件においても変形、破損することがなく、液漏れを低減することができる液体混合装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための一態様として、液体クロマトグラフ用の液体混合装置であって、液体が供給される入口側コネクタ部と、当該供給された液体を混合する溝を有する液体混合部と、当該混合された液体が流出される出口側コネクタ部と、を備え、前記入口側コネクタ部と前記液体混合部、および前記出口側コネクタ部と前記液体混合部とは、拡散接合によって接続されているものである。

本発明によれば、１００ＭＰａ以上の超高圧条件においても、構成部品のクリープや破損を低減し、溶媒の漏れを抑制する液体混合装置、および当該液体混合装置を用いた液体クロマトグラフ装置を提供することができる。

上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施の形態に係る液体クロマトグラフ装置の全体構成図である。本発明の実施の形態に係る液体混合装置の構成の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る液体混合装置の構成の他の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係る液体混合装置の構成の他の一例を示す図である。樹脂パッキン等を使用した場合の液体混合装置の一例を示す図（従来例）である。本発明の実施の形態に係る液体混合装置の加工の前後の様子を示す図である。他の実施の形態に係る液体混合装置の加工に伴う課題を示す図である。本発明の実施の形態に係る液体混合装置の加工フローである。加工フローに対応した液体混合装置の構造を示す図である。本発明の実施の形態に係る圧力印加処理を説明する図である。本発明の実施の形態に係る液体混合部の溝形状の例を示す図である。本発明の実施の形態に係る液体混合部の積層構造の例を示す図である。本発明の実施の形態に係る液体混合装置の外観の様子を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る液体クロマトグラフ装置の全体構成図である。液体クロマトグラフ装置１００は、溶媒１０７を送液する送液ポンプ１０１、送られた溶媒を混合する液体混合装置（ミキサ）１０２、試料を注入するための試料注入装置（オートサンプラ）１０３、分離カラムを恒温に保つためのカラムオーブン１０４、および検出器１０５を備えている。検出器１０５を通過した溶媒は、廃液１０６としてタンクに排出される。

本図においては、液体混合装置１０２は送液ポンプ１０１と試料注入装置１０３との間に配置されているが、低圧グラジエントと呼ばれる分析法においては、溶媒１０７と送液ポンプ１０１との間に配置されることもある。

図２は、本発明の実施の形態に係る液体混合装置２００の構成を示す図である。液体混合装置２００は、主に入口側コネクタ部２０１、液体混合部２０２、出口側コネクタ部２０３から構成される。図２（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれコネクタ部２０１、２０３と液体混合部２０２との配置関係の一例を示す。高圧条件下での送液を行う場合、液体混合部２０２にモーメントがかからず、圧縮・引っ張り応力のみが働く（Ａ）の構成とすることが望ましい。

なお、入口側コネクタ部２０１、出口側コネクタ部２０３の形状は同じでもよいし、装置条件に合わせて差異を設けてもよい。

図３は、パッキンを使用した従来の液体混合装置の構成例である。本構成においては、複雑な流路形状を構成する液体混合部３０２についてのみ、拡散接合などの接合方法で接合されてきた。液体混合部３０２だけであれば、一般に平面で構成されるため拡散接合をはじめとして圧力を均一にかけることが容易である。しかしながら、コネクタ部３０１、３０３は後付けになるため、一般にコネクタ部３０１、３０３と液体混合部３０２との間には樹脂製のパッキン部材３０４、３０５が使用されることから、増締めの必要性やクリープといった問題が生じていた。また、パッキン部材３０４、３０５に圧力をかけるためにハウジングが必要になることが多く、部品点数が増えてコスト高となる。なお、圧力が高くない条件下（例えば１０ＭＰａ以下）では、無視できるクリープ量ではあったが、高圧力条件下（例えば４０〜１００ＭＰａ）では、室温下であっても弾性体としての振る舞いが顕著になり、クリープの影響が無視できなくなる。また、締め付け直後においての変形速度の速い領域を１次クリープ（遷移クリープ）と言うが、一般に数％の伸びが〜１０ｈ程度で起こることから、生産におけるリードタイムが長くなり品質上好まれない。

図４は、本発明の実施の形態に係る液体混合装置の加工の前後の様子を示す図である。

加工前の状態では、入口側コネクタ部４０１、出口側コネクタ部４０３に、コネクタ用の溝形状４０４、４０５は形成されていないため、拡散接合時にも圧力がかかり、入口側コネクタ部４０１、出口側コネクタ部４０３と、液体混合部４０２とは、それぞれ接合可能となる。接合後、バルク状になったと見なせる状況で、入口側コネクタ部４０１、出口側コネクタ部４０３を、それぞれ後加工することで、全ての部位が同一材料、例えばＳＵＳをはじめとした金属で構成されるため、高耐圧に適した材料で混合器が作製される。すなわち、図３において説明した従来の構造のように、コネクタ部と、液体混合部との間にパッキン部材のような異種材料を介す必要がなくなり、高圧条件下における変形や破損、液漏れ等が生じないこととなる。なお、入口側コネクタ部４０１、出口側コネクタ部４０３に、後加工のための下穴やマーキング等の溝の軽微な加工であれば、拡散接合および本発明におけるコネクタ部の後加工に影響はない。

図５は、他の実施の形態に係る液体混合装置の加工に伴う課題を示す図である。接合前にコネクタ用の溝（空洞）形状５０４、５０５を加工してしまうと、形成された空洞であるコネクタ直下の部分には、他領域と比較して圧力がかからなくなる。そのため、この部分については、拡散接合がされなくなり、また、拡散接合は数トンという力で押圧しているため、空洞以外の領域についても、拡散接合により僅かながら変形が生じる。この僅かな変形により、特に全体の流路を形成する際に、配管との接続において雌ねじ・雄ねじの関係が担保されなくなってしまう。事前に変形量を見積もった上でコネクタを加工しておく方法も考えられるが、同時に複数個の生産を行う場合においては、全ての変形量を同一に担保することは困難である。

また、液体混合部５０２は拡散接合で事前に作製しておき、のちに入口側コネクタ部５０１、出口側コネクタ部５０３のみ混合部と拡散接合ということが考えられるが、接合が２回以上となりやはりコスト高となるため、適さない。

上記のように、本発明の実施の形態に係る液体混合装置は、図４にて説明した手法により作成されることが望ましい。

図６（Ａ）は、本発明の実施の形態に係る液体混合装置の加工フローである。図６（Ｂ）は、加工フローに対応した液体混合装置の構造を示す図である。

(a)液体混合部は液体を混合するための種々の複雑な形状で構成されている。本ステップでは、入口側コネクタ部６０１、出口側コネクタ部６０３の前処理加工、および混合部の作製を行う（ステップ６０１）。ここで、前処理加工とは、入口側コネクタ部６０１、出口側コネクタ部６０３の特に上部に、マーキングのための溝や下穴程度の軽微な加工を施すことをいい、必ずしも必須ではない。

(b)上記の通り、最小限の事前加工が施された入口側コネクタ部６０１、液体混合部６０２、出口側コネクタ部６０３の間は、それぞれ拡散接合により接合される（ステップ６０２）。

(c)その後、コネクタ部は後加工される際、混合部の流路に切削粉や切削油が混入しないように封止部材６０６、６０７を詰める（ステップ６０３）。封止部材６０６、６０７は特別なものでなくてもよく樹脂材、綿・紙など、流路を一時的に塞ぐ役割を持つものであればよい。特に、微量の切削油の混入も許さない場合には公差指定したはめ合いの封止部材を用いてもよい。また、例えば、治具金属など高温にすることで溶融する材料を用いることもできる。また、封止部材６０６、６０７を使わなくても混合部の流路に切削粉や切削油が混入しないような加工の場合には、封止部材６０６、６０７を詰めずに加工することもできる。

(d)上記の処理を施した上で、後加工としてコネクタ用の溝形状を設ける（ステップ６０４）。以上の工程により作成された液体混合装置は、もとは拡散接合により形成されているため耐圧特性に優れており、樹脂パッキンを使用していないためクリープの心配もなく、部品点数が少ないためコストの増加を抑えることができる。

図７は、本発明の実施の形態に係る圧力印加処理を説明する図である。上記の方法により加工された液体混合装置に対して、ガスを圧力媒体として等方的に圧力を加えることにより、特に、２層以上に積層された液体混合部７０２の内部の空隙を排除する。本図に示すように、液体混合部７０２の積層方向は、送液方向に対して平行でも、また垂直でもよい。

図８は、本発明の実施の形態に係る液体混合部の溝形状の例を示す図である。本図に示すように、異なる溝形状８０１〜８０８を有した基板上の部材は、分析条件等に応じて適宜組み合わせて、積層することができる。異なる溝形状を通過することにより、複数種類の液体の混合が促進される。

図９は、本発明の実施の形態に係る液体混合部の積層構造の例を示す図である。本図に示すように、コネクタ用の溝９０４、９０５は、入口側コネクタ部９０１、出力側コネクタ部９０３の中心に形成されるほか、液体混合部９０２の積層構造に応じて、端部に形成するようにしてもよい。

図１０は、本発明の実施の形態に係る液体混合装置の外観の様子を示す図である。本図に示すように、入口側コネクタ部１００１、液体混合部１００２、出口側コネクタ部１００３の間を上述の拡散接合により接合させた状態で、コネクタ形状を後加工する。このようにすることで、耐圧性に優れ、液体クロマトグラフを用いた分析における高圧条件下においても、液漏れが生じない信頼性の高い液体混合装置を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の実施例の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００・・・液体クロマトグラフ装置
１０１・・・送液ポンプ
１０２、２００・・・液体混合装置（ミキサ）
１０３・・・試料注入装置（オートサンプラ）
１０４・・・カラムオーブン
１０５・・・検出器
１０６・・・廃液
１０７・・・溶媒
２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、９０１、１００１・・・入口側コネクタ部
２０２、３０２、４０２、５０２、６０２、７０２、９０２、１００２・・・液体混合部
２０３、３０３、４０３、５０３、６０３、７０３、９０３、１００３・・・出口側コネクタ部
３０４、３０５・・・パッキン部材
４０４、４０５、５０４、５０５、６０４、６０５、９０４、９０５・・・溝
６０６、６０７・・・封止部材
８０１〜８０８・・・溝形状

Claims

複数種類の溶液を送液する送液ポンプと、
前記送液ポンプで送液された溶液を混合する液体混合装置と、
前記液体混合装置で混合された溶液中に試料を注入する試料注入装置と、
前記試料注入装置で注入された試料を成分ごとに分離するカラムと、
前記カラムで分離された成分を検出する検出器と、
を備えた液体クロマトグラフ装置であって、
前記液体混合装置は、
当該送液ポンプから送液された複数種類の溶液が流入するように、一端側に前記送液ポンプに接続するための配管用の第一のコネクタ用の溝を有する入口側コネクタ部と、前記入口側コネクタ部に流入した溶液を混合する液体混合部と、前記液体混合部で混合された溶液が前記試料注入装置側へ流出するように、一端側に前記試料注入装置に接続するための配管用の第二のコネクタ用の溝を有する出口側コネクタ部と、を備え、
前記入口側コネクタ部の他端側と前記液体混合部の一端側との間、および前記液体混合部の他端側と前記出口側コネクタ部の他端側との間は、拡散接合によって直接に接合されていることを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
請求項１に記載された液体クロマトグラフ装置において、
前記入口側コネクタ部の他端側には、前記第一のコネクタ用の溝の径よりも小さい径を有する溝を備え、
前記出口側コネクタ部の他端側には、前記第二のコネクタ用の溝の径よりも小さい径を有する溝を備えていることを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
請求項１に記載された液体クロマトグラフ装置において、
前記液体混合部は、
複数種類の溝が形成された基板状部材を積層することによって形成されていることを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
請求項３に記載された液体クロマトグラフ装置において、
前記液体混合部は、
複数種類の渦巻き状の溝が形成された基板状部材を積層することによって形成されていることを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
複数種類の溶液を混合する液体混合装置と、
前記液体混合装置で混合された溶液を送液する送液ポンプと、
前記送液ポンプで送液された溶液中に試料を注入する試料注入装置と、
前記試料注入装置で注入された試料を成分ごとに分離するカラムと、
前記カラムで分離された成分を検出する検出器と、
を備えた液体クロマトグラフ装置であって、
前記液体混合装置は、
当該複数種類の溶液が流入するように、一端側に前記複数種類の溶液に接続するための配管用の第一のコネクタ用の溝を有する入口側コネクタ部と、前記入口側コネクタ部に流入した溶液を混合する液体混合部と、前記液体混合部で混合された溶液が前記送液ポンプ側へ流出するように、一端側に前記送液ポンプに接続するための配管用の第二のコネクタ用の溝を有する出口側コネクタ部と、を備え、
前記入口側コネクタ部の他端側と前記液体混合部の一端側との間、および前記液体混合部の他端側と前記出口側コネクタ部の他端側との間は、拡散接合によって直接に接合されていることを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
請求項５に記載された液体クロマトグラフ装置において、
前記入口側コネクタ部の他端側には、前記第一のコネクタ用の溝の径よりも小さい径を有する溝を備え、
前記出口側コネクタ部の他端側には、前記第二のコネクタ用の溝の径よりも小さい径を有する溝を備えていることを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
請求項５に記載された液体クロマトグラフ装置において、
前記液体混合部は、
複数種類の溝が形成された基板状部材を積層することによって形成されていることを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
請求項７に記載された液体クロマトグラフ装置において、
前記液体混合部は、
複数種類の渦巻き状の溝が形成された基板状部材を積層することによって形成されていることを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
液体クロマトグラフ装置用の液体混合装置であって、
複数種類の溶液が流入するように、一端側に配管を接続するための第一のコネクタ用の溝を有する入口側コネクタ部と、前記入口側コネクタ部に流入した溶液を混合する液体混合部と、前記液体混合部で混合された溶液が下流側へ流出するように、一端側に配管を接続するための第二のコネクタ用の溝を有する出口側コネクタ部と、を備え、
前記入口側コネクタ部の他端側と前記液体混合部の一端側との間、および前記液体混合部の他端側と前記出口側コネクタ部の他端側との間は、拡散接合によって直接に接合されていることを特徴とする液体混合装置。
請求項９に記載された液体混合装置において、
前記入口側コネクタ部の他端側には、前記第一のコネクタ用の溝の径よりも小さい径を有する溝を備え、
前記出口側コネクタ部の他端側には、前記第二のコネクタ用の溝の径よりも小さい径を有する溝を備えていることを特徴とする液体混合装置。
請求項９に記載された液体混合装置において、
前記液体混合部は、
複数種類の溝が形成された基板状部材を積層することによって形成されていることを特徴とする液体混合装置。
請求項１１に記載された液体混合装置において、
前記液体混合部は、
複数種類の渦巻き状の溝が形成された基板状部材を積層することによって形成されていることを特徴とする液体混合装置。