JP6993303B2 - プランジャ、ポンプ、および液体分析装置 - Google Patents

Description

本開示は、液体分析装置用ポンプ等に使用されるプランジャ、該プランジャを備えたポンプ、および液体分析装置に関する。

液体クロマトグラフ等の液体分析装置において、試料を溶かした液体を加圧して供給するための、プランジャおよびポンプが用いられる。プランジャはポンプ内にて種々の試料および溶媒に接触するため耐薬品性が必要である。特許文献１には、サファイアやセラミック等の材料からなる第１のプランジャ部材と、金属、セラミック等の材料からなるプランジャホルダとが固着されたプランジャが記載されている。

液体分析装置等に使用されるポンプは、使用時の押し力や引き力によって、プランジャを構成する各部材が変形したり、各部材の固着がずれたりして、プランジャが変形すると、所定の吐出量と吐出圧を保てなくなる。

サファイアやセラミック等のプランジャ部材と、金属等のホルダとの固着方法としては、焼嵌め、圧入、溶着、接着等の方法がある（特許文献１、２）が、分析装置等、耐薬品性が求められる用途では、溶着、接着剤よる固着は耐薬品性または固着強度に懸念が生じる。凸状セラミックと凹状金属の焼嵌め、圧入における、凸部の外径と凹部の内径の比の設計は、例えば、特許文献３、４等に記載されている。本発明者は、プランジャの押し力を大きくするために、ホルダ側の挿入孔（凹部）は有底として、プランジャ部材の一端と突き合わせて使用することを考えたが、固着力を大きくしようとすると、焼嵌め時に挿入孔内の空気が抜けにくくなって、プランジャが変形しやすくなることがわかった。

特開平１０－２２８０号公報 国際公開第２０１５／０３３３９８号 特開昭６１－４０８７９号公報 特開昭６２－４５２８号公報

本開示は、耐薬品性に優れ、使用時の押し力、引き力によっても変形しにくいプランジャと、該プランジャを備えたポンプおよび液体分析装置を提供することを目的とする。

本開示のプランジャは、アルミナからなり、外径ｄ１、真円度ｃ１の外周面を有する第１部材と、ステンレス鋼からなり、内径ｄ２、真円度ｃ２の内周面と前記内周面の一端部に位置する底面とを有する挿入孔を有する第２部材と、を備え、前記外周面が前記内周面と当接して前記第１部材と前記第２部材とが互いに固定されたプランジャであって、常温、非挿入時において、ｄ１－ｄ２が０．１μｍ以上１０．０μｍ以下でｃ１とｃ２のいずれかが、０．２μｍ以上であるか、または、（ｄ１－ｄ２）／ｄ１が０．００５％以上０．５％以下で、ｃ１／ｄ１、ｃ２／ｄ１のいずれかが、０．０１％以上である。本開示のポンプは、前記プランジャを備える。本開示の液体分析装置は、前記ポンプを備える。

本開示によれば、耐薬品性に優れ、使用時の押し力、引き力によっても変形しにくいプランジャと、該プランジャを備えたポンプおよび液体分析装置を提供できる。

液体クロマトグラフの概略図である。 本実施形態のプランジャの概略断面図である。

本開示のプランジャ１、ポンプ１２、および液体分析装置１０について、図を参照しながら説明する。図１は、液体分析装置（液体クロマトグラフ）１０の概略図、図２（ａ）は、プランジャ１の概略断面図、図２（ｂ）は、第１部材２の概略断面図、図２（ｃ）は、第２部材３の概略断面図である。

液体クロマトグラフィーとは、試料を溶かした液体（移動相と呼ばれる）を、固定相と呼ばれる固体もしくは液体の媒質（カラム）の中を通過させ、分析種を固定相及び移動相との相互作用（吸着、分配、イオン交換、サイズ排除など）の差を利用して分離して検出する分析方法である。また、液体クロマトグラフィーを行うための分析装置を液体クロマトグラフと呼ぶ。

本開示の液体クロマトグラフ１０は、貯槽１１、ポンプ１２、インジェクタ１３、カラム１４、カラムオーブン１５、検出器１６、データ処理器１７、廃液槽１８を備えている。試料を含む移動相は貯槽１１に収納される。ポンプ１２によって加圧された移動相は、インジェクタ１３を介してカラム１４に供給され、検出器１６によって分析種の検出が行われる。ポンプ１２は、プランジャ１、シリンダ（不図示）、逆止弁（不図示）などを備え、プランジャ１とシリンダとの摺動により、シリンダ内に吸引した移動相を加圧、供給する。特に、高速、高分解能な液体クロマトグラフ１０では、１００ＭＰａ以上での高圧送液が可能なポンプ１２が使用されることがある。

プランジャ１は、アルミナからなり、外径ｄ１、真円度ｃ１の外周面２ａと、端面２ｂを有する第１部材２と、ステンレス鋼からなり、内径ｄ２、真円度ｃ２の内周面３ａと、内周面３ａの一端部に位置する底面３ｂとを有する挿入孔３ｃを有する第２部材３と、を備える。そして、外周面２ａが内周面３ａと当接して第１部材２と第２部材３とが互いに固定される。固定の方法としては、焼嵌めおよび圧入等が挙げられる。

第１部材２はシリンダ内に挿入されて移動相（試料を含む溶液）と直接接触して移動相を加圧する。第２部材３は第１部材２を保持して押し力、引き力を第１部材に伝達する。アルミナは、耐薬品に優れ、また、ヤング率が大きい（つまり、変形しにくい）ので、移動相と直接接する第１部材２の材質として、好適である。特に、第１部材２が、サファイア（単結晶アルミナ）であれば、さらに耐薬品性に優れ、パーティクルの発生も少ないので好適である。

金属は、アルミナとの圧入、焼嵌めによる固着に適している。中でも、ステンレス鋼は、強度と耐薬品性に優れ、第２部材３の材質として好適である。また、第２部材３が、表面強化処理ステンレス鋼であれば、耐薬品性に優れ、変形、破損しにくいので好適である。表面強化処理の例として、例えば、炭素、窒素等の固溶強化元素を固溶拡散させる、固溶拡散処理、ニッケル金メッキ処理等の耐食膜被覆処理等が挙げられる。

プランジャ１は、圧入、焼嵌めなどの方法で第１部材２を第２部材３に挿入することで作製する。特に、焼嵌めは、固着力が大きく、大きな押し力、引き力でも挿入部位がずれにくい。

仮に、使用時（プランジャ１とシリンダの摺動時）の押し力、引き力によって、第１部材２と第２部材３との固着面がずれることでプランジャ１が変形すると、ポンプの吐出圧および吐出量が変化するので問題となる。本開示のプランジャ１は、常温、非挿入時において、ｄ１－ｄ２が０．１μｍ以上１０．０μｍ以下でｃ１とｃ２のいずれかが、０．２μｍ以上である。また、（ｄ１－ｄ２）／ｄ１が０．００５％以上０．５％以下で、ｃ１／ｄ１、ｃ２／ｄ１のいずれかが、０．０１％以上である。上記構成により、焼嵌め、圧入時の固着力が大きくなり、使用時の押し力、引き力で固着面のずれによるプランジャ１の変形が起こりにくい。また、焼嵌め、圧入等の方法で、外周面２ａと内周面３ａとを当接させる際の第２部材３内への第１部材２の挿入も容易である。なお、ｃ１／ｄ１、ｃ２／ｄ１のいずれかが、０．０１％以上であるか、またはｃ１とｃ２のいずれかが、０．２μｍ以上であれば、焼嵌め、圧入作業で挿入孔３ｃ内部の空気が抜けやすい。そのため、焼嵌め、圧入作業が容易である。つまり、プランジャ１の製作時の作業性および生産性向上にも有効である。

例えば、ｄ１が２．００ｍｍのとき、ｄ２は１．９９９９ｍｍ～１．９９ｍｍであるとよく、ｃ１とｃ２のいずれかが、０．２μｍ以上であるとよい。

外周面２ａの外径ｄ１は、一般のマイクロメータやレーザー外径測定機で、内周面３ａの内径ｄ２は一般の精密ピンゲージで、真円度ｃ１、ｃ２は、真円度・円筒形状測定機（例えば、東京精密社製ＲＯＮＤＣＯＭ５４）で測定できる。

第１部材２は第２部材３側に端面２ｂを有している。第１部材２の端面２ｂが、第２部材３の底面３ｂに当接していると、大きな押し力でも固着面がずれることがないので、吐出圧の大きいポンプ２に適している。端面２ｂが接着剤からなる接着層を介して底面３ｂに当接していてもよい。これは、端面２ｂと底面３ｂは接液部から離れているためである。接着層としては、嫌気性接着剤が好適である。なお、ｃ１／ｄ１、ｃ２／ｄ１のいずれかが、０．０１％以上であるか、またはｃ１とｃ２のいずれかが、０．２μｍ以上であれば、焼嵌め、圧入作業で挿入孔３ｃ内部の空気が抜けやすい。そのため、端面２ｂと底面３ｂとが当接しやすく、所定の押し力の確保が容易である。また、端面２ｂが凸状で、底面３ｂが凹状であると、その部分の凹凸でも嵌め合い効果が発生し、より２と３の密着性が増す構造とすることができる。

ｃ１が３．０μｍ以下、ｃ２が７．０μｍ以下であると特によい。また、ｃ１／ｄ１が０．１５％以下、ｃ２／ｄ１が０．３５％以下であると、上記の効果をより有効に得ることができるので、特によい。

例えば、ｄ１が２．００ｍｍのとき、ｃ１が３．０μｍ以下、ｃ２が７．０μｍ以下であると、ｃ１／ｄ１が０．１５％以下、ｃ２／ｄ１が０．３５％以下である。ｃ１が３μｍよりも大きく、ｃ２が７μｍよりも大きい（ｃ１／ｄ１が０．１５％よりも大きく、ｃ２／ｄ１が０．３５％よりも大きい）場合、外周面２ａと内周面３ａとが接する面積が減少し、所定の引き力の確保が困難である。

外周面２ａと端面２ｂとの接続部は、面取りされていると、第１部材２を第２部材に挿入しやすい。面取りは、例えば、０．０１～０．１ｍｍのｃ面であるとよい。

外周面２ａの算術平均粗さRa１は、０．０１μｍ以下であることが好ましい。外周面２ａの算術平均粗さRa１が、０．０１μｍよりも大きいと、シリンダとの摺動性と液の保持性が悪化するとともに、第１部材２と第２部材３との接触面積が減少（密着性が低下）して、押し力、引き力が低下しやすい。外周面２ａの算術平均粗さＲａ１は、表面粗さ・輪
郭形状測定機（例えば、東京精密社ＳＵＲＦＣＯＭ１５００ＳＤ３）を用いて測定できる。

内周面３ａの算術平均粗さＲａ２は、０．１μｍ以上であることが好ましい。内周面３ａの算術平均粗さＲａ２が、０．１μｍ以上であると、摩擦力を有効に得ることができ、押し力および引き力を容易に確保することができる。また、内周面３ａの算術平均粗さＲａ２は、１．６μｍ以下であることが好ましい。内周面３ａの算術平均粗さＲａ２が１．６μｍ以下であると、第１部材２と第２部材３との接触面積が増加（密着性が増加）して、押し力、引き力を確保しやすい。内周面３ａの算術平均粗さＲａ２は、表面粗さ・輪郭形状測定機（例えば、東京精密社ＳＵＲＦＣＯＭ１５００ＳＤ３）を用いて測定できる。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は前述した実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良、組合せ等が可能である。例えば、第１部材２は、セラミックなどの多結晶アルミナでもよく、アルミナ以外の結晶相を微量に含むものでもよい。第２部材２は、上記のような圧入または焼嵌めが可能なものであれば、ＳＵＳ３１６以外のステンレス鋼であってもよい。

サファイアからなる第１部材２と、パイオナイト処理（エア・ウォーター社の登録商標）したＳＵＳ３１６ステンレス鋼からなる第２部材３を複数組用意し、外周面２ａの外径ｄ１、真円度ｃ１、算術平均粗さＲａ１、内周面３ａの内径ｄ２、真円度ｃ２、算術平均粗さＲａ２を、それぞれ表１に示す条件１～９の値となるように加工し、第２部材３を１８０℃～２００℃にホットプレート等で加熱した状態で、第１部材２を第２部材３に挿入して焼嵌めすることにより、複数のプランジャ１を作製した。

そして、それぞれのプランジャ１について、約３００ＭＰａの圧縮応力と約３０ＭＰａＮの引張応力を印加して変形量を測定した。測定結果を表１に合わせて示す。表１に示すように、本開示の実施形態である条件１～５においては、圧縮、引張ともに変形量は２μｍ以下であったが、条件７～９においては、圧縮、引張のいずれかで変形量が３３μｍ以上となった。なお、条件６においては、第１部材２と第２部材３の径の差（ｄ１－ｄ２）が大きく、かつ第１部材２の真円度ｃ１と第２部材３の真円度ｃ２がともに小さいため、焼嵌め時に挿入孔３から空気が抜けにくく、圧入ができなかった。

１ プランジャ
２ 第１部材
２ａ 外周面
２ｂ 端面
３ 第２部材
３ａ 内周面
３ｂ 底面
３ｃ 挿入孔
１０ 液体分析装置（液体クロマトグラフ）
１１ 貯槽
１２ ポンプ
１３ インジェクタ
１４ カラム
１５ カラムオーブン
１６ 検出器
１７ データ処理器
１８ 廃液槽

Claims (12)

1. アルミナからなり、外径ｄ１、真円度ｃ１の外周面を有する第１部材と、
   ステンレス鋼からなり、内径ｄ２、真円度ｃ２の内周面と前記内周面の一端部に位置する底面とを有する挿入孔を有する第２部材と、を備え、
   前記外周面が前記内周面と当接して前記第１部材と前記第２部材とが互いに固定されたプランジャであって、
   常温、非挿入時において、（ｄ１－ｄ２）／ｄ１が０．００５％以上０．５％以下で、ｃ１／ｄ１、ｃ２／ｄ１のいずれかが、０．０１％以上である、プランジャ。
2. ｃ１／ｄ１が０．１５％以下、ｃ２／ｄ１が０．３５％以下である、請求項１に記載のプランジャ。
3. アルミナからなり、外径ｄ１、真円度ｃ１の外周面を有する第１部材と、
   ステンレス鋼からなり、内径ｄ２、真円度ｃ２の内周面と底面とを有する挿入孔を有する第２部材と、を備え、
   前記外周面が前記内周面と当接して固定されたプランジャであって、
   常温、非挿入時において、ｄ１－ｄ２が０．１μｍ以上１０．０μｍ以下で、ｃ１とｃ２のいずれかが、０．２μｍ以上である、プランジャ。
4. ｃ１が３．０μｍ以下、ｃ２が７．０μｍ以下である、請求項３に記載のプランジャ。
5. 前記第１部材が、前記底面に当接している端面をさらに有する、請求項１から４のいずれかに記載のプランジャ。
6. 前記端面と前記底面との間に接着層をさらに備える、請求項５に記載のプランジャ。
   
7. 前記端面が凸状で、前記底面が凹状である、請求項５または６に記載のプランジャ。
   
   
8. 前記外周面の算術平均粗さＲａ１が０．０１μｍ以下であり、前記内周面の算術平均粗さＲａ２が０．１μｍ以上である、請求項１から７のいずれかに記載のプランジャ。
9. 前記第１部材が、サファイアからなる、請求項１から８のいずれかに記載のプランジャ。
10. 前記第２部材が、表面強化処理ステンレス鋼からなる、請求項１から９のいずれかに記載のプランジャ。
11. 請求項１から１０のいずれかに記載のプランジャを備えたポンプ。
12. 請求項１１に記載のポンプを備えた液体分析装置。

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