JP7286808B2 - 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、試料溶液を加圧して供給するために、プランジャを備えた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や耐腐食性が必要である。

液体クロマトグラフ用のプランジャは、特許文献１，２に記載のように、一般的には、ホルダ等の凹部に挿入して使用される。特許文献３には、プランジャの材質として、硬度が高く耐摩耗性と耐薬品性に優れたサファイア等が用いられることが多く、表面をセラミック膜でコーティングした金属を用いた例もあると記載されている（段落〔０００４〕）。

特表２００４-５１５６９７号公報 特開平１０-２２８０号公報 特開２００５-２７４３９１号公報

一方、特許文献３に記載のようなセラミックコートは、耐摩耗性には有効である反面、強度面で劣るため、寿命が短いという問題がある。

本開示のプランジャは、サファイアからなり、柱状で、一方の端部から中心軸方向に延びる非貫通の篏合穴を有するプランジャ本体部と；篏合穴に挿入された、熱伝導率がサファイアよりも大きい芯部と；プランジャ本体部の篏合穴の内周面および底面と、芯部の外周面および先端面との間にそれぞれ介在し、プランジャ本体部と芯部とを接合する接合層と、を備える。

本開示のポンプは、上記プランジャを備える。本開示の液体分析装置は、上記ポンプを備える。

液体クロマトグラフの概略図である。 本開示の一実施形態に係るプランジャを示す断面図である。 本開示の他の実施形態に係るプランジャを示す断面図である。 （ａ）～（ｄ）はそれぞれ本開示のさらに他の実施形態に係るプランジャを示す断面図である。 （ａ）および（ｂ）は本開示のさらに別の実施形態に係るプランジャにおける芯部を示す側面図および正面図、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はそれぞれプランジャ本体部の断面図、そのＩ-Ｉ線断面図およびII-II線断面図、（ｆ）は組み立てられたプランジャの断面図、（ｇ）は組み立てられたプランジャの背面図である。

本開示は、放熱性能が高く、耐摺動摩耗性、耐腐食性に優れたプランジャ、該プランジャを備えたポンプ、および液体分析装置を提供するものである。以下、図面を参照して、本開示の一実施形態に係るプランジャ、該プランジャを備えたポンプおよび液体分析装置を説明する。図１は、本開示のプランジャを使用する液体クロマトグラフ１０（液体分析装置）を示している。

液体クロマトグラフィーは、試料を溶かした試料溶液（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、および廃液槽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、図２に示すプランジャ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。

一般に、液体クロマトグラフ等に使用されるプランジャは、使用時に、ポンプのシリンダとの摺動により、シリンダ内に吸引した移動相(すなわち、試料を溶かした試料溶液)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では、１００ＭＰａ以上での高圧送液が可能なポンプが使用されることがある。そのため、プランジャがシリンダとの高速での摺動により発熱し、熱膨張する。その結果、ストローク当たりの供給量が変化して、移動相の定量供給が困難になり、またプランジャとシリンダとの摺動抵抗が増大し、遂には移動相の供給に支障をきたすおそれがあるため、プランジャには高い放熱性能が求められる。

本開示のプランジャ１は、図２に示すように、一方の端部から中心軸方向に延びる非貫通の篏合穴２を有する柱状のプランジャ本体部３と、篏合穴２に挿入された芯部４とを備える。プランジャ本体部３と芯部４は、プランジャ本体部３の篏合穴２の内周面と前記芯部の外周面との間に介在した接合層５によって接合されている。接合層５による接合は、プランジャ本体部３の篏合穴２の全面、すなわち内周面全面と底面全面にわたっており、プランジャ本体部３と芯部４とを密着・一体化していることが好ましい。

プランジャ本体部３は、円柱状のサファイアからなり、一方の端部から切削加工等により篏合穴２が形成されている。プランジャ本体部３の外周面はシリンダと高速で摺動摩擦するため、高い耐摺動摩耗性と耐熱性が求められると共に、試料溶液に接するため、高い耐腐食性、耐薬品性が求められる。サファイアは、これらの特性を満たすものである。

サファイアは、例えば、柱状単結晶が得られる公知の製法、例えばＥＦＧ法（Edge-defined Film-fed Growth Method）により製造される。サファイアは、熱伝導率、熱膨張率などの物性に異方性を有する。柱状の単結晶サファイアは、ｃ軸がプランジャ本体部３の中心軸と一致しているのが、中心軸に垂直な方向の熱膨張が均一になるため、プランジャ本体部３の温度変化に伴う熱変形を抑制するうえで好ましい。なお、ｃ軸と中心軸とが完全に一致していなくても、両者のなす角が１０°以下であればよい。

得られた円柱形状のサファイアは、一方の端部から中心軸方向に切削、研削などの加工方法により、非貫通の篏合穴２を形成する。篏合穴２の内周面は、加工後に研磨を行わない、切削面または研削面とするのが好ましく、これにより接合層５との接触面積が増大し、接合強度を高めることができる。具体的には、篏合穴２の内周面は、算術平均粗さＲａが０．０５μｍ以上１．６μｍ以下であるのがよい。

プランジャ本体部３の寸法は、例えば外径が１～５ｍｍ、長さが１０～５０ｍｍである。プランジャ本体部３の外径に対して、篏合穴２の内径は１／３以上２／３以下であるのがよい。例えば、外径が３ｍｍであれば、内径は１ｍｍ以上２ｍｍ以下であればよい。すなわち、プランジャ本体部３の肉厚は０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下であるのがよい。熱伝導の点からは、プランジャ本体部３の肉厚は薄い方が良いが、摺動に耐える強度が必要であり、加工精度（真直度）も求められる。０．５ｍｍ以上であれば、摺動にも十分耐えることができ、加工精度も良好である。１ｍｍ以下であれば、熱伝導による抜熱が良好である。
プランジャ本体部３の外径に対して、篏合穴２の深さは５倍以上であるのがよく、これにより芯部４を深く挿入できるので、プランジャ本体部３の摺動面である外周面の面積に対し、接合層５を介したプランジャ本体部３と芯部４との接触面積を大きくすることができ、プランジャ本体部３から芯部４への熱伝導を促進することができる。
なお、篏合穴２は、円形断面であるのが好ましいが、楕円形断面や四角形等の多角形断面であってもよいし、円形断面の一部に凹部または凸部を有していてよい。このように、断面を円以外の形状とすることで、プランジャ本体部３と芯部４との接触面積を大きくして熱伝導を促進できるとともに、プランジャ本体部３と芯部４との間にねじれ応力が加わったときにも接合層５にかかる応力が低減でき、接合層５の破損（接合不良）が生じにくい。

篏合穴２に挿入される芯部４は、熱伝導率がサファイアよりも大きい材質からなる。このような材質としては、例えば、アルミニウム、銅、金、銀、白金、鉄などの金属、または前記金属を主成分とする合金が挙げられる。例えば、添加物の比較的少ない高純度なステンレス鋼などが芯部４として使用可能である。芯部４は、先端が篏合穴２の底部まで挿入された状態で、後端部が放熱のために篏合穴２から突出している。

本実施形態における芯部４は、篏合穴２内に挿入可能な断面形状を有しており、例えば円柱状に形成されている。また、芯部４を篏合穴２に挿入したときに、それらの間に間隙が形成されるように、芯部４の外径が１０ｍｍ以下であれば、篏合穴２の内径は、芯部４の外径よりも０．０２ｍｍ以上０．２ｍｍ以下の範囲で大きいのがよく、好ましくは０．０４ｍｍ以上０．１ｍｍ以下の範囲で大きいのがよい。この範囲内であれば、プランジャ本体部３の強度、加工精度も、摺動部からの抜熱も良好であり、接合層５を形成する接合材料を間隙内に十分に充填することができ、強固な接合が得られる。

接合層５は、熱伝導率がプランジャ本体部３（サファイア）よりも大きいことが好ましく、さらに、芯部４と同等またはそれ以上であるのが好ましい。このような接合層５は、例えば、金属、樹脂または炭素系からなる。例えば、金属、炭素などの熱伝導性に優れた成分と、ガラスなどの接着成分を含むペーストの形態で篏合穴２に充填し、ついで芯部４を挿入し、焼結することにより、プランジャ本体部３と芯部４とを接合することができる。また、プランジャ本体部３の接合面に下地金属を形成し、半田付け、ロウ付けなどの方法で、プランジャ本体部３と芯部４とを接合してもよい。金属としては、プランジャ本体部３および芯部４の双方に対して密着性に優れているのがよく、さらにプランジャ本体部３から芯部４への放熱を促進させるために、熱伝導性に優れているものが好ましい。このような金属としては、例えば銀および銀合金等が挙げられる。

接合層５に使用される樹脂としては、熱伝導性に優れた接合性樹脂が使用可能であり、例えばエポキシ系樹脂等が挙げられる。特に、金属、炭素などの熱伝導性に優れた成分を含む接合樹脂が好ましい。接合に際しては、例えば、上記と同様に、液状の樹脂を篏合穴２に充填し、ついで芯部４を挿入し、硬化させることにより、プランジャ本体部３と芯部４とを接合することができる。また、樹脂は、耐熱温度が２５０℃以上の耐熱性を有しているのがよい。

次に、本開示の液体分析装置用プランジャの製造方法の一例を説明する。まず、円柱形状のプランジャ本体部３（サファイア）の一方の端部から中心軸方向に非貫通の篏合穴２を形成してプランジャ本体部３を得る。例えば、直径３ｍｍ、長さ３０ｍｍ程度のサファイア円柱体に、１～２ｍｍの内径で深さ２５ｍｍ程度に穿孔加工を行って（サファイア円柱体の厚みは０．５～１ｍｍ）、篏合穴２を形成する。

次に、篏合穴２に金属製の芯部４を挿入し、両者を接合する。このとき、あらかじめ篏合穴２に液状ないしペースト状の接合材料を注入しておき、ついで篏合穴２に芯部４を挿入し、接合材料を焼結や硬化させるのが、篏合穴２と芯部４との隙間を塞ぎ、プランジャ本体部３から芯部４への熱伝導を行わせるうえで好ましい。

篏合穴２に芯部４を挿入する際には、芯部４が篏合穴２の底面に接触していてもよいが、接触していなくても、それらの間隙に接合層が介在するので、熱伝導に支障をきたすことがない。
また、あらかじめ篏合穴２に芯部４を挿入した後、篏合穴２と芯部４との間隙に液状の接合材料を注入するようにしてもよい。
本開示の液体分析装置用プランジャは、プランジャ本体部３がサファイアからなり、可視光や赤外光を透過するので、接合層５となるペーストやロウ材の充填状況や、焼成後の接合状況を確認しやすい。レーザー光などを照射して、接合不良部など、所望の箇所のみを加熱することもできる。また、紫外光も透過するので、紫外線硬化樹脂からなる接合層５も使用可能である。

このように、プランジャ本体部３と芯部４とは接合層５を介して密着しているので、摺動によってプランジャ本体部３の外周面に発生した摩擦熱を、芯部４を通して速やかに放熱させることができる。
なお、プランジャ本体部３は、摺動面となる外周面と底面とを接続する、外周面よりも外径の小さい（すなわち、摺動に寄与しない）小径接続部３ｂを有していてもよい。小径接続部３ｂは、例えば、図２に示すプランジャ本体部３のように外径が連続的に変化するＲ面取りやＣ面取りによる小径接続部であってもよいし、外径が不連続に変化する、段付きの小径接続部（不図示）であってもよい。そして、篏合穴２の先端が、小径接続部３ｂ内（すなわち軸方向において摺動面の先端よりも底面に近い位置）にあるのが、摺動面からの芯部４への伝熱（抜熱）が良好となるのでよい。特に、芯部４の先端が、小径接続部３ｂ内（すなわち軸方向において摺動面の先端よりも底面に近い位置）にあるとよい。

以上のように、本実施形態によれば、プランジャ本体部３がサファイアからなるので、耐摺動摩耗性、耐腐食性に優れると共に、該プランジャ本体部３の篏合穴２に挿入された芯部４は、高い熱伝導率を有するので、プランジャ本体部３の放熱性能が向上する。

本開示の他の実施形態に係る液体分析装置用プランジャを図３に示す。なお、図２に示す実施形態の構成部材と同一のものは、同じ符号を付して説明を省略する。
同図に示すプランジャ１００における芯部４１は、篏合穴２から露出した部位に、径方向に延びる突起部６を有する。突起部６は芯部４１の全周にわたって形成されているのが好ましいが、周方向に部分的に形成されていてもよい。

突起部６は芯部４１と同様に金属からなり、芯部４１と一体に形成されているが、図２に示すような柱状の芯部４に突起部６を接合したものであってもよい。また、突起部６を金属以外の他の熱伝導性の高い材料で形成してもよい。

突起部６を芯部４１に設けることにより、芯部４１の放熱面積が増大する。さらに、突起部６が、接合層５を介してプランジャ本体部３の端面３ａと接面していると、放熱性能がより向上する。すなわち、芯部４１とプランジャ本体部３との間に充填される接合層５は、プランジャ本体部３の開口からプランジャ本体部３の端面３ａに溢れ出し、この端面３ａに突起部６を密着して接合させている。これにより、プランジャ本体部３から芯部４１への熱移動がより促進され、放熱性能がより向上する。

本開示のさらに他の実施形態に係る液体分析装置用プランジャを図４（ａ）～（ｄ）にそれぞれ示す。なお、図２に示す実施形態の構成部材と同一のものは、同じ符号を付して説明を省略する。

図４（ａ）に示すプランジャ１０１は、プランジャ本体部３１の嵌合穴２１が、テーパー状に形成されており、この嵌合穴２１に柱状の芯部４が挿入され、接合層５によって接合されている。すなわち、嵌合穴２１の内周面は、プランジャ本体部３１の底部３１ａから開口３１ｂに向かって内径が小さくなるように傾斜している。上記構成により、プランジャ本体部３１と接合層５との接触面積が増えるので、接着強度が向上するとともに、高熱伝導性の接合層５を使用した時の放熱性が向上する。このとき、底部３１ａの内径（ａ）と開口３１ｂの内径（ｂ）との比（ａ／ｂ）」は１．１以上１．５以下であるのが、プランジャ本体部３１の強度が低下することなく、十分な放熱性能を付与するうえで好ましい。
なお、プランジャ本体部３１の嵌合穴２１をテーパー状に形成するのに代えて、芯部４を前記した嵌合穴２１とは逆方向にテーパー状に形成してもよい。

図４（ｂ）に示すプランジャ１０２は、雌ねじ形のプランジャ本体部３２と、雄ねじ形の芯部４２を備えたものである。すなわち、プランジャ本体部３２の篏合穴２２の内周面には螺旋状のねじ溝が形成されており、芯部４２の外周面には篏合穴２２のねじ溝と歯合するねじ溝が形成されている。篏合穴２２のねじ溝と芯部４２のねじ溝は、接合層５を介して歯合する。このように篏合穴２２と芯部４２のそれぞれにねじ溝を設けたので、表面積が大きくなって放熱性が向上し、さらに接合強度も大きくなる。

図４（ｃ）に示すプランジャ１０３は、嵌合穴２に挿入される先端部に向かって外径が漸次小さくなるテーパー状に形成された芯部４３を有しており、芯部４３の先端部には、径方向に延びる突起部７が形成されている。この芯部４３をプランジャ本体部３の嵌合穴２に挿入し、接合層５で接合する。このように、芯部４３の先端部に突起部７を設け、芯部４３をテーパー状に形成しているので、芯部４３とプランジャ本体部３との接合強度や放熱性能が向上する。

図４（ｄ）に示すプランジャ１０４は、プランジャ本体部３３の嵌合穴２２の内周面に周方向に延びる環状の凹部８を設けたものである。凹部８は１つでもよく、複数を設けてもよい。このように嵌合穴２の内周面に凹部８を設けることにより、放熱性能が向上し、かつ接合強度も確保することができる。
なお、プランジャ本体部３３の周方向に延びる凹部８に代えて、軸方向に延びる凹部（図示せず）を設けてもよい。

本開示のさらに別の実施形態に係る液体分析装置用プランジャを図５（a）～（g）に示す。なお、図２に示す実施形態の構成部材と同一のものは、同じ符号を付して説明を省略する。

図５（a）および（ｂ）は、円柱状等の芯部４４を示しており、この芯部４４の一部（例えば先端部）に所定間隔で複数個（本実施形態では１８０°間隔で２個）の凸部４４１を設けてある。凸部４４１は、１２０°間隔で３個などであってもよい。

プランジャ本体部３４は、図５（ｃ）～（ｅ）に示すように、嵌合穴２３の開口部側の一部は凸部４４１を挿通可能な形状を有する。すなわち、凸部４４１が挿通可能な凹部８１を有する（図５（ｃ）、（ｅ）参照）。そして、嵌合穴２３の他の部分は凸部４４１を回転可能な形状を有する（図５（ｄ）参照）。例えば、嵌合穴２３の開口部側が芯部４４の先端部とほぼ同形状で、底部が凸部４４１の外接円とほぼ同形状とする。凸部４４１と凹部８１は、いわばキーとキー溝に相当し、芯部４４をプランジャ本体部３４内に挿入してから所定角度回すことにより、芯部４４が抜けるのを防止することができる。この状態で、接合層５にて接合して、図５（ｆ）に示すようなプランジャ１０５を得る。図５（ｇ）に示すように、芯部４４はプランジャ本体部３４内に挿入後、所定角度（本実施形態では９０°）回した状態で、接合層５にて接合されている。これにより、芯部４４の抜け防止に加えて、接合層５との接触面積増加により接合強度が向上し、かつ放熱性が向上する。

以上、本開示の液体分析装置用プランジャ、ポンプ、および液体分析装置を実施形態に基づいて説明したが、本開示は以上の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で種々の変更や改良が可能である。

１、１００、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ プランジャ
２、２１、２２、２３ 篏合穴
３、３１、３２、３３、３４ プランジャ本体部
３ａ 端面
３ｂ 小径接続部
３１ａ 底部
３１ｂ 開口
４、４１、４２、４３、４４ 芯部
４４１ 凸部
５ 接合層
６、７ 突起部
８、８１ 凹部
１０ 液体クロマトグラフ（液体分析装置）
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 (10)

1. サファイアからなり、柱状で、一方の端部から中心軸方向に延びる非貫通の篏合穴を有するプランジャ本体部と、
   前記篏合穴に挿入された、熱伝導率が前記サファイアよりも大きい芯部と、
   前記プランジャ本体部の篏合穴の内周面および底面と、前記芯部の外周面および先端面との間にそれぞれ介在し、前記プランジャ本体部と前記芯部とを接合する接合層と、を備えた、プランジャ。
2. 前記プランジャ本体部を構成するサファイアのｃ軸が、前記プランジャ本体部の中心軸となす角度が１０°以下である請求項１に記載のプランジャ。
3. 前記芯部が アルミニウム、銅、金、銀、白金もしくは鉄である金属、または前記金属を主成分とする合金からなる、請求項１または請求項２に記載のプランジャ。
4. 前記プランジャ本体部の外径に対して、前記篏合穴の内径が１／３～２／３であり、かつ前記プランジャ本体部の外径に対して、前記篏合穴の深さが５倍以上である、請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のプランジャ。
5. 前記芯部は、前記篏合穴から露出した部位に、径方向に延びる突起部を有する、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のプランジャ。
6. 前記接合層は、前記サファイアよりも大きい熱伝導率を有する、請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のプランジャ。
7. 前記接合層は、前記芯部と同じか、前記芯部よりも大きい熱伝導率を有する、請求項１乃至請求項６のいずれかに記載のプランジャ。
8. 前記接合層は、 金属、樹脂または炭素を含む、請求項６に記載のプランジャ。
9. 請求項１乃至請求項８のいずれかに記載のプランジャを備えたポンプ。
10. 請求項９に記載のポンプを備えた液体分析装置。
    

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