特許 7411689 サンプル注入用ダイヤフラムバルブ、サンプル注入用ダイヤフラムバルブのためのプランジャアセンブリおよびサンプル注入用ダイヤフラムバルブを動作させる方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-12-27

(45)【発行日】2024-01-11

(54)【発明の名称】サンプル注入用ダイヤフラムバルブ、サンプル注入用ダイヤフラムバルブのためのプランジャアセンブリおよびサンプル注入用ダイヤフラムバルブを動作させる方法

(51)【国際特許分類】

   F16K 7/14 20060101AFI20231228BHJP

   G01N 30/20 20060101ALI20231228BHJP

【ＦＩ】

F16K7/14 Z

G01N30/20 G

【請求項の数】 18

(21)【出願番号】P 2021569582

(86)(22)【出願日】2019-02-07

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-04-20

(86)【国際出願番号】 CA2019050158

(87)【国際公開番号】W WO2020160634

(87)【国際公開日】2020-08-13

【審査請求日】2021-12-15

(73)【特許権者】

【識別番号】521353573

【氏名又は名称】エイ・ピィ・エヌ・インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】ＡＰＮ ＩＮＣ．

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ルムラン，シモン

(72)【発明者】

【氏名】ルサール，ジョエル

【審査官】笹岡 友陽

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２００９／０１５２４８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】実公昭４８－０２６１８０（ＪＰ，Ｙ１）

【文献】特開２００４－１４４２４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１５－５０７１５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ１６Ｋ ７／１４

Ｇ０１Ｎ ３０／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

内部に流体を通すためのサンプル注入用ダイヤフラムバルブであって、
バルブヘッドを備え、前記バルブヘッドは内部に延在する複数の処理導管を備え、前記処理導管の各々は処理ポートにおいて終端をなしており、前記サンプル注入用ダイヤフラムバルブはさらに、
前記バルブヘッドに面するバルブ本体を備え、前記バルブ本体は凹部を備えた本体中間面を備え、前記バルブ本体はまた、内部に延在するプランジャ通路を備え、前記プランジャ通路は前記凹部上に開口しており、前記サンプル注入用ダイヤフラムバルブはさらに、
前記バルブヘッドと前記バルブ本体との間に位置決めされたダイヤフラムを備え、前記ダイヤフラムは、前記バルブ本体の前記凹部に設けられているとともに内部で流体を循環させるための処理溝を有し、前記サンプル注入用ダイヤフラムバルブはさらに、
前記バルブ本体内に設けられた常閉プランジャアセンブリおよび常開プランジャアセンブリを備え、各アセンブリは、前記バルブ本体の前記プランジャ通路に摺動可能に嵌合されるプランジャを備え、各プランジャは、前記プランジャが前記ダイヤフラムを変形させて前記処理ポートのうち２つの処理ポート間の流体循環を遮断する閉位置と、前記プランジャが前記ダイヤフラムから遠ざかるように後退して流体の循環を可能にする開位置との間で移動可能であり、前記プランジャは頂面を備えたヘッドを有し、前記頂面は、前記頂面上に突出するとともに前記頂面にわたって延在する線形リップを備え、前記線形リップの少なくとも一部は、前記プランジャが前記閉位置にあるときに前記ダイヤフラムを押圧し、各プランジャの前記頂面は、２つの半円形領域および突出した前記線形リップ上に１つの矩形領域を備え、前記矩形領域は前記２つの半円形領域から隆起して離間しており、前記矩形領域の表面積は前記２つの半円形領域の表面積の合計値より小さい、サンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項2】

前記プランジャはプランジャ本体およびプランジャヘッドを備え、前記プランジャヘッドは前記プランジャ本体から延在しており、前記プランジャ本体および前記プランジャヘッドはともに実質的に円筒形であり、前記プランジャヘッドが有する直径は前記プランジャ本体の直径よりも狭い、請求項１に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項3】

各プランジャは、前記プランジャ本体と前記プランジャの前記ヘッドとの間に第１の円形肩部と、前記プランジャの前記ヘッドの前記頂面と突出した前記線形リップの対向する側壁との間に第２の肩部および第３の肩部とを含む、請求項２に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項4】

前記処理溝は、溝幅を有する環状処理溝であり、前記プランジャの上に延在する突出した前記線形リップは、前記処理溝の幅に対応する長さを有する、請求項１に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項5】

前記閉位置では、各プランジャの突出した前記線形リップは、前記ダイヤフラムの底面上の接触面を押圧することで、前記ダイヤフラムのうち前記接触面の両側の領域が、前記プランジャの前記ヘッドの前記頂面の凹んだ領域に沿って、突出した前記線形リップの両側に延在するように前記ダイヤフラムを変形させる、請求項１に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項6】

前記閉位置では、前記プランジャと前記ダイヤフラムの底面との間に形成される接触面が、前記バルブの中心軸に対して直線的かつ径方向に延在する、請求項１に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項7】

前記常閉プランジャアセンブリおよび前記常開プランジャアセンブリはともにディスクプレートを備え、前記アセンブリのうちの所与のアセンブリの前記プランジャは、対応する前記ディスクプレートから延在する、請求項１に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項8】

前記ディスクプレートは、前記バルブ本体において積層され、前記常閉プランジャアセンブリおよび前記常開プランジャアセンブリのうち一方が有するディスクプレートには、前記ディスクプレート内に延在するとともに前記常閉プランジャアセンブリおよび前記常開プランジャアセンブリのうちの他方のプランジャを通らせるためのプランジャ孔が設けられている、請求項７に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項9】

各プランジャの前記線形リップは、前記閉位置にあるとき、２つの隣接する処理ポートの間に単一のゲートを形成し、前記ゲートまたは側壁は前記バルブの中心軸に対して径方向に延在する、請求項１に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項10】

各プランジャの前記線形リップは、前記閉位置にあるとき、前記ダイヤフラムの底面との接触面を形成し、前記接触面は前記プランジャの前記ヘッドに対応する領域よりも狭い、請求項１に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項11】

前記線形リップは平坦なダイヤフラム接触面を有する、請求項１に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項12】

前記線形リップは、凹形状、凸形状または二重壁形状のうちの１つの形状を有する、請求項１に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項13】

前記バルブは空気圧で作動させられ、前記バルブはバルブ底部キャップを備えることで、作動ガスのための閉チャンバをもたらす、請求項１に記載のサンプル注入用ダイヤフラムバルブ。

【請求項14】

サンプル注入用ダイヤフラムバルブのためのプランジャアセンブリであって、前記バルブはバルブヘッドおよびバルブ本体を有し、前記バルブ本体は内部に延在する複数のプランジャ通路を備え、前記複数のプランジャ通路は前記バルブ本体の凹部上で開口しており、前記バルブは、前記バルブヘッドと前記バルブ本体との間に位置決めされたダイヤフラムを含み、前記ダイヤフラムは前記バルブ本体の前記凹部に設けられているとともに内部で流体を循環させるための処理溝を有し、前記プランジャアセンブリは、
前記バルブ本体の前記プランジャ通路に摺動可能に嵌合するためのプランジャを備え、使用時に、各プランジャは、前記プランジャが前記ダイヤフラムを変形させて処理ポートのうち２つの処理ポート間の流体循環を遮断する閉位置と、前記プランジャが前記ダイヤフラムから遠ざかるように後退して流体の循環を可能にする開位置との間で移動可能であり、前記プランジャは頂面を備えたヘッドを有し、前記頂面は、前記頂面上に突出するとともに前記頂面にわたって延在する線形リップを備え、前記線形リップは、前記プランジャが前記閉位置にあるときに前記ダイヤフラムを押圧し、各プランジャの前記頂面は、２つの半円形領域および突出した前記線形リップ上に１つの矩形領域を備え、前記矩形領域は前記２つの半円形領域から隆起して離間しており、前記矩形領域の表面積は前記２つの半円形領域の表面積の合計値より小さい、プランジャアセンブリ。

【請求項15】

前記プランジャアセンブリは常閉プランジャアセンブリおよび常開プランジャアセンブリのうちの１つであり、前記アセンブリはディスクプレートを含み、前記プランジャは前記ディスクプレートから延在している、請求項１４に記載のプランジャアセンブリ。

【請求項16】

各プランジャは本体を備え、前記プランジャの前記ヘッドは前記本体から延在しており、前記本体および前記ヘッドはともに実質的に円筒形であり、前記ヘッドが有する直径は前記プランジャの本体の直径よりも狭い、請求項１４に記載のプランジャアセンブリ。

【請求項17】

前記プランジャの本体と前記プランジャの前記ヘッドとの間に第１の円形肩部と、ヘッド部分と突出した前記線形リップとの対向する側の間に第２の肩部および第３の肩部とを備える、請求項１４に記載のプランジャアセンブリ。

【請求項18】

サンプル注入用ダイヤフラムバルブを動作させる方法であって、
ａ）前記バルブを設けるステップを含み、前記バルブは、
バルブヘッドを備え、前記バルブヘッドは内部に延在する複数の処理導管を備え、前記処理導管の各々は処理ポートにおいて終端をなしており、前記バルブはさらに、
前記バルブヘッドに面するバルブ本体を備え、前記バルブ本体は凹部を備えた本体中間面を備え、前記バルブ本体はまた、内部に延在するプランジャ通路を備え、前記プランジャ通路は前記凹部上に開口しており、前記バルブはさらに、
前記バルブヘッドと前記バルブ本体との間に位置決めされたダイヤフラムを備え、前記ダイヤフラムは、前記バルブ本体の前記凹部に設けられているとともに内部で流体を循環させるための処理溝を有し、前記処理溝は溝幅を有し、前記バルブはさらに、
前記バルブ本体内に設けられた常閉プランジャアセンブリおよび常開プランジャアセンブリを備え、各アセンブリは、前記バルブ本体の前記プランジャ通路に摺動可能に嵌合されるプランジャを備え、各プランジャは、前記プランジャが前記ダイヤフラムを変形させて前記処理ポートのうち２つの処理ポート間の流体循環を遮断する閉位置と、前記プランジャが前記ダイヤフラムから遠ざかるように後退して流体の循環を可能にする開位置との間で移動可能であり、前記プランジャは頂面を備えたヘッドを有し、前記頂面は、前記頂面上に突出するとともに前記頂面にわたって延在する線形リップを備え、前記線形リップの少なくとも一部は、前記プランジャが前記閉位置にあるときに前記ダイヤフラムを押圧し、各プランジャの前記頂面は、２つの半円形領域および突出した前記線形リップ上に１つの矩形領域を備え、前記矩形領域は前記２つの半円形領域から隆起して離間しており、前記矩形領域の表面積は前記２つの半円形領域の表面積の合計値より小さく、前記方法はさらに、
ｂ）前記常閉プランジャアセンブリを開構成へと移動させるとともに、同時に、前記常開プランジャアセンブリを閉構成へと移動させることによって前記バルブを作動させるステップを含み、前記常開プランジャアセンブリの前記プランジャは、実質的に線形であるとともに前記溝幅にわたって延在するそれぞれの接触領域に沿って前記ダイヤフラムをキャップバルブに当てて圧縮する、方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

発明の分野
本発明は、概して、ガスクロマトグラフィおよびサンプル分析に関し、より特定的には、ダイヤフラムバルブの改善に向けられている。

【背景技術】

【0002】

背景
クロマトグラフィシステムは、バルブを用いて、再生可能サンプルの注入およびさまざまなカラムスイッチング方式を可能にすることに依拠している。このようなシステムでは、一般にダイヤフラム封止型バルブが用いられている。典型的なダイヤフラム封止バルブは、中間面に開口する複数のポートを有するバルブヘッドを含む。各ポートはバルブヘッド内の通路に連結されており、当該通路には、さまざまな分析用の備品および管類が接続され得る。ダイヤフラムバルブはまた、バルブヘッドの中間面とは反対側に中間面を有するバルブ本体を含む。一般にポリマー材料で作られているダイヤフラムは、バルブ本体とバルブヘッドとの対向する中間面の間で圧縮される。通常、バルブ本体の中間面には、ダイヤフラムにおける対応する凹部に位置する主凹部が設けられており、これにより、隣接するポート間で流体を循環させるためのいくらかの隙間を可能にする。このポート間の連通は、バルブ本体に摺動可能に装着されたプランジャを用いることによって阻止することができる。各プランジャは、２つの隣接するポート間においてダイヤフラムを押圧することができ、これにより、当該ポート間の流体連通を妨げることができる。

【0003】

ガスクロマトグラフィのための先行技術のダイヤフラムバルブに関する１つの問題点は、プランジャがダイヤフラムを適切に押圧しない場合、２つのポート間の経路が完全に閉じられず、ポート間に流体漏れをもたらし、サンプル分析結果に影響を及ぼしてしまう点である。別の一般的な問題点は、流体を循環させるバルブへとつながっている経路に沿って不所望な流体制限が起こる点である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

したがって、従来技術の欠点のうち少なくともいくつかを軽減させるダイヤフラム封止型バルブが必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

発明の概要
第１の局面に従うと、流体を通すためのサンプル注入用ダイヤフラムバルブが提供される。当該バルブは、好ましくは、バルブヘッドと、バルブ本体と、ダイヤフラムと、任意にはバルブ底部キャップとを含む。当該バルブヘッドは内部に延在する複数の処理導管を備える。当該処理導管の各々は処理ポートにおいて終端をなしている。当該バルブ本体は当該バルブヘッドに面している。当該バルブ本体は凹部を備えた本体中間面を備える。当該バルブ本体はまた、内部に延在するプランジャ通路を備え、当該プランジャ通路は当該凹部上に開口している。当該ダイヤフラムは、当該バルブヘッドと当該バルブ本体との間に位置決めされており、当該バルブ本体の当該凹部に設けられているとともに内部で流体を循環させるための処理溝を有する。常閉プランジャアセンブリおよび常開プランジャアセンブリが当該バルブ本体内に設けられており、各アセンブリは、当該バルブ本体の当該プランジャ通路に摺動可能に嵌合されるプランジャを備える。各プランジャは、当該プランジャが当該ダイヤフラムを変形させて当該処理ポートのうち２つの処理ポート間の流体循環を遮断する閉位置と、当該プランジャが当該ダイヤフラムから遠ざかるように後退して流体の循環を可能にする開位置との間で移動可能である。

【0006】

実現可能な実施形態では、当該プランジャはそれらのヘッドの頂面を有する。当該頂面は、当該頂面上に突出するとともに当該頂面にわたって延在する線形リップまたはゲートを備える。当該線形リップの少なくとも一部は、当該プランジャが閉位置にあるときに当該ダイヤフラムを押圧し、好ましくは、閉位置にあるとき、当該線形リップまたはゲートのみが当該ダイヤフラムに接触する。

【0007】

実現可能な実施形態では、当該プランジャはプランジャ本体およびプランジャヘッドを備え、当該プランジャヘッドは当該プランジャ本体から延在している。当該プランジャ本体および当該プランジャヘッドはともに実質的に円筒形であり、当該プランジャヘッドが有する直径は当該プランジャ本体の直径よりも狭い。

【0008】

実現可能な実施形態では、当該プランジャは、当該本体と当該プランジャの当該ヘッドとの間に形成された第１の円形肩部と、当該プランジャの当該ヘッドの当該頂面と当該突出した線形リップの対向する側壁との間に形成された第２の肩部および第３の肩部とを有する。実現可能な一実現例では、各プランジャの当該頂面は、当該突出した線形リップ上に２つの半円形領域および１つの矩形領域を備え、当該矩形領域は当該２つの半円形領域から隆起して離間しているとともに、ダイヤフラム接触領域に対応している。

【0009】

当該ダイアフラムに形成される処理溝は、好ましくは環状または円形であり、溝幅を有する。当該プランジャの上に延在する当該突出した線形リップは、当該処理溝の幅に対応する長さを有し得る。他の実現例では、当該リップが有する長さは、当該溝の幅よりも短くてもよく、または長くてもよい。

【0010】

好ましくは、閉位置では、各プランジャの当該突出した線形リップは、当該ダイヤフラムの底面上の接触面を押圧するとともに、当該ダイヤフラムのうち当該接触面の各側の領域が当該プランジャヘッドの頂面の凹んだ領域に沿って、または当該凹んだ領域に面して、当該突出したリップの両側に延在するように当該ダイヤフラムを変形させる。さらに好ましくは、閉位置では、当該プランジャと当該ダイヤフラムの底面との間に形成された接触面は、当該バルブの中心軸に対して直線的かつ径方向に延在する。さらに好ましくは、各プランジャの当該線形リップは、閉位置にあるとき、２つの隣接する処理ポートの間に単一のゲートまたは側壁を形成する。当該ゲートまたは側壁は当該バルブの中心軸に対して径方向に延在している。各プランジャの当該線形リップは、閉位置にあるとき、好ましくは、当該ダイヤフラムの底面との接触面を形成する。当該接触面は、当該プランジャの当該ヘッドに対応する断面積よりも狭い。実現可能な実施形態では、当該線形リップは平坦なダイヤフラム接触面を有するが、他の実施形態では、当該線形リップは凹形状、凸形状または二重壁形状を有してもよい。

【0011】

本発明の別の局面に従うと、サンプル注入用ダイヤフラムバルブのためのプランジャアセンブリが提供される。当該プランジャアセンブリは、サンプル注入用ダイヤフラム封止バルブのプランジャ通路に摺動可能に嵌合するような大きさおよび構成にされたプランジャを含む。使用時、各プランジャは、当該プランジャがダイヤフラムを変形させて処理ポートのうちの２つの処理ポート間の流体循環を遮断する閉位置と、当該プランジャが当該ダイヤフラムから遠ざかるように後退して流体の循環を可能にする開位置との間で移動可能である。好ましくは、当該アセンブリの当該プランジャは各々、頂面を有し、当該頂面は、当該頂面上に突出するとともに当該プランジャにわたって延在する線形リップを備える。当該線形リップは、当該プランジャが当該閉位置にあるとき当該ダイヤフラムを押圧する。当該プランジャアセンブリは常閉プランジャアセンブリおよび常開プランジャアセンブリのうちの１つであり得る。当該アセンブリはディスクプレートを含み得る。当該プランジャが当該ディスクプレートから延在している。

【0012】

いくつかの実施形態では、当該ディスクプレートおよび対応するプランジャは単一の構成要素として一体的に形成することができ、当該プランジャヘッドは平面的で平坦な頂面を有していてもよい。

【0013】

好ましくは、プランジャアセンブリのいくつかの実現例では、各プランジャの頂面上に、プランジャヘッドの周辺領域よりも小さいダイヤフラム接触面としてリップが形成される。

【0014】

別の局面に従うと、サンプル注入用ダイヤフラムバルブを動作させる方法が提供される。当該方法は、上述のバルブを設けるステップと、当該常閉プランジャアセンブリを開構成へと移動させるとともに、同時に、当該常開プランジャアセンブリを閉構成へと移動させることによって当該バルブを作動させるステップを含み、当該常開プランジャアセンブリの当該プランジャは、実質的に線形であるとともに当該溝幅にわたって延在するそれぞれの接触領域に沿って、当該ダイヤフラムを当該キャップバルブに当てて圧縮する。当該方法は、当該ダイヤフラムの当該処理溝における少なくとも１つの処理導管から当該処理導管のうち少なくとも別の処理導管に向かって流体を循環させるステップと、当該バルブを作動停止させるステップとを含み、当該常閉プランジャアセンブリが当該閉構成に戻り、当該常開プランジャアセンブリが当該開構成に戻る。当該常閉プランジャの当該プランジャが、実質的に線形であるとともに当該溝幅にわたって延在するそれぞれの接触領域に沿って当該ダイヤフラムを当該キャップバルブに当てて圧縮する。好ましくは、当該プランジャは、当該ダイヤフラムのうち当該接触面の各側の領域が下方に延在して当該プランジャのヘッドの頂面の凹んだ領域に面するように当該ダイヤフラムを変形させる。当該プランジャと当該ダイヤフラムの底面との間に形成される接触領域は、当該バルブの中心軸に対して直線的かつ径方向に延在する。

【0015】

本発明の実施形態の他の特徴および利点は、添付の図面を参照してその好ましい実施形態を読むことによってよりよく理解されるだろう。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実現可能な実施形態に従ったサンプル注入用ダイヤフラムバルブを示す上面斜視図である。

【図2】図１のバルブを示す部分分解図である。

【図3】図１のバルブを示す上面図である。

【図3A】ダイヤフラムの上面に開口する２つのポートを示す、図３の線３Ａ－３Ａに沿ったバルブの断面図である。

【図4】図１のバルブを示す上面図である。

【図4A】図４の線４Ａ－４Ａに沿った図１のバルブを非作動の状態で、常閉プランジャおよび常開プランジャとともに示す別の断面図である。

【図4B】常閉プランジャが下降しているとともに常開プランジャがダイヤフラムを押圧している、作動中の図４のバルブを示す断面図である。

【図5】図１のバルブを示す上面図である。

【図5A】開位置にあるプランジャのヘッドを図５の線５Ａ－５Ａに沿って示す概略拡大断面図である。

【図5B】２つのポート間の連通経路を閉じるためにダイヤフラムを押圧している図４Ａのプランジャを示す概略拡大断面図である。

【図6】図１のバルブを示す上面図である。

【図6A】開位置にあるプランジャのヘッドを図６の線６Ａ－６Ａに沿って示す概略拡大断面図である。

【図6B】２つのポート間の連通経路を閉じるためにダイヤフラムを押圧している図６Ａのプランジャを示す概略拡大断面図である。

【図7】実現可能な実施形態に従った、常開プランジャアセンブリを示す斜視図である。

【図7A】図７のアセンブリを示す上面図である。

【図7B】図７のアセンブリを示す底面図である。

【図7C】図７のアセンブリを示す側面図である。

【図7D】図７Ｃの線７Ｄ－７Ｄに沿ったアセンブリを示す断面図である。

【図7E】アセンブリのプランジャのヘッドを示す拡大図である。

【図8】実現可能な一実施形態に従った常閉プランジャアセンブリを示す斜視図である。

【図8A】図８のアセンブリを示す上面図である。

【図8B】図８のアセンブリを示す底面図である。

【図8C】図８のアセンブリを示す側面図である。

【図8D】図８Ｃの線８Ｄ－８Ｄに沿ったアセンブリを示す断面図である。

【図8E】アセンブリのプランジャのヘッドを示す拡大図である。

【図9】別の実現可能な実施形態に従った常開プランジャアセンブリを示す斜視図である。

【図9A】図９のアセンブリを示す側面図である。

【図10】別の実現可能な実施形態に従った常閉プランジャアセンブリを示す斜視図である。

【図10A】図１０のアセンブリを示す側面図である。

【図10B】面取りされた端縁を有する、図１０Ａのプランジャのヘッドを示す拡大図である。

【図11A】他の実現可能な実施形態に従ったプランジャヘッドを示す拡大図である。

【図11B】他の実現可能な実施形態に従ったプランジャヘッドを示す拡大図である。

【図11C】他の実現可能な実施形態に従ったプランジャヘッドを示す拡大図である。

【図12A】別の実現可能な実施形態に従った常開プランジャアセンブリを示す側面図である。

【図12B】図１２Ａの線１２Ｂ－１２Ｂに沿った図１２Ａのアセンブリを示す断面図である。

【図13A】別の実現可能な実施形態に従った常閉プランジャアセンブリを示す側面図である。

【図13B】図１３Ａの線１３Ｂ－１３Ｂに沿った図１３Ａのアセンブリを示す断面図である。

【図13C】実現可能な一実施形態に従ったプランジャヘッドを示す拡大図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

添付の図面が本発明の例示的な実施形態のみを示しており、したがって、本発明が他の等しく有効な実施形態を可能にし得るようにその範囲を限定するものとして解釈されるべきではないことに留意されたい。

【0018】

好ましい実施形態の説明
本発明は、概して、ダイヤフラム封止バルブ、たとえば、ガスクロマトグラフィに適したバルブ、のためのプランジャおよびプランジャアセンブリに関する。

【0019】

以下の説明では、異なる実施形態における同様の特徴には同様の参照番号を付している。簡潔および明瞭にするために、すなわち、図に不要な参照番号を必要以上に付さないようにするために、すべての図はすべての構成要素および特徴を参照するわけではない。いくつかの構成要素および特徴が１つの図のみに参照されている可能性もあり、そこから、他の図に示される本開示の構成要素および特徴を容易に推測することができる。本明細書全体を通じて、特に明記されない限り、「上部」および「底部」などの位置の記述は、図についての文脈で解釈されるべきであり、限定的なものと見なされるべきではない。

【0020】

図１、図２、図３、図３Ａ、図４、図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、例示的なサンプル注入用ダイヤフラムバルブ１０が示されている。バルブ１０は、バルブヘッド２０と、バルブ本体３０と、バルブ底部キャップ３５と、バルブ装着用カラー３７と、バルブヘッド２０とバルブ本体３０との間で圧縮されるダイヤフラム４０と、プランジャアセンブリ５０、６０とを含む。サンプル注入用ダイヤフラムバルブの他の実施形態は、より多くの構成要素またはより少ない構成要素を含んでいてもよい。たとえば、底部キャップ３５および装着用カラー３７は、プランジャアセンブリ５０、６０をバルブ本体３０に保持する他の同等の構造と置換えることができる。ねじ、ばね、シール、ピストンなどの他の構成要素がバルブに設けられてもよい。図示した実施形態では、バルブは空気圧で作動させられるとともに、作動ガスのための閉チャンバを形成するためにバルブ底部キャップ３５を備える。しかしながら、他の実現例では、プランジャを電気により作動させることが可能であり、そのような場合、バルブ底部キャップは不要となり得る。

【0021】

図２～図４Ｂを参照すると、バルブヘッド２０は、中間面２０６と、バルブヘッド２０を通って延在する複数の処理導管２０２とを有する。図示した実施形態では、バルブは１０個の処理導管を含むが、バルブの他の実施形態は、用途に応じて異なる数の導管を含み得る。バルブヘッド中間面２０６は平坦で滑らかであり、バルブが組立てられるとダイヤフラム４０と接触する。各々の処理導管２０２は、バルブヘッド中間面２０６で開口する処理ポート２０４において終端をなしている。処理ポート２０４は、好ましくは、バルブヘッド中間面上に円形に配置される。図３Ａに最もよく示されるように、処理導管２０２の各々は、好ましくは、管類接続部を収容するためのより大きなねじ穴と、処理ポート２０４において終端するより小さい流体通路とによって形成されている。この実施形態では、バルブヘッド２０は円筒形であり、単なる一例として、電解研磨されたステンレス鋼でできている。合わせピン８２によって、バルブヘッド２０とバルブ本体３０とが確実に位置合わせされる。当然、バルブヘッド２０をバルブ本体３０に保持するための他の構成を検討することもできる。他の材料、たとえばセラミックまたは多種多様なポリマーがバルブヘッド２０のための材料として用いられてもよい。円筒形以外の形状が検討されてもよい。当然、バルブヘッドの他の実施形態は、４個、８個、１０個、１２個または他の任意の好都合な数の処理ポートを含んでもよい。

【0022】

さらに図２～図４Ｂを参照すると、バルブ本体３０はまた、バルブ１０が組立てられたときにバルブヘッド中間面２０６に面する中間面３０２を有する。バルブ本体中間面３０２は、好ましくは円形の輪郭を有する主凹部３０４を備える。図３Ａに最も良く示されているように、バルブ要素が組立てられたときにバルブヘッド２０の処理ポート２０４が凹部３０４に沿って一直線になると、バルブが使用できるようになる。バルブ本体３０はまた、複数のプランジャ通路３０６を含んでおり、このうち２つが図４Ａおよび図４Ｂに示されている。各々のプランジャ通路３０６は、バルブ本体３０内に延在しているとともに、処理ポート２０２のうちの２つの処理ポート２０２の間において凹部３０４内の一端で開口している。通路３０６の他端は、プランジャアセンブリを収容するバルブ本体空隙内で開口している。バルブ本体はまた、バルブ本体をバルブヘッドに保持するソケットヘッドキャップねじを収容するためのねじ穴の第１のセットと、バルブ本体３０を底部キャップ３５に保持するソケットヘッドキャップねじを収容するためのねじ穴の第２のセットとを備える。当然、バルブ本体３０をバルブヘッド２０およびバルブ底部キャップ３５に取付けるための他の構成が検討されてもよい。

【0023】

図２を参照すると、ダイヤフラム４０の実現可能な一実施形態が示されている。ダイヤフラム４０は、バルブヘッド２０の底部中間面２０６に面する第１の表面と、上部中間面バルブ本体３０に面する第２の表面とを有する。ダイヤフラム４０は、バルブが組立てられて使用準備が整うと、バルブヘッドとバルブ本体との中間面の間に配置される。ダイヤフラムは、予形成された変形溝または加工溝４０２をバルブ本体３０の主凹部３０４内に有する。ダイヤフラム４０の頂面は、バルブヘッド２０の中間面２０６と共に、処理ポート２０４間の連通チャネルを規定する。

【0024】

図１～図８に示す実施形態は、１０個のプランジャ付きバルブを示しており、そのうち２個が図４Ａおよび図４Ｂに示されている。当然、異なる数のプランジャを有するダイヤフラム封止バルブに本発明を適用してもよい。たとえば、図９および図１０に示すプランジャアセンブリは、各々、６個のプランジャ付きバルブを形成するように３つのプランジャを備えている。「プランジャ」という語は、機械力もしくは流体圧力によって駆動されるかまたは機械力もしくは流体圧力に抗して駆動される機械的構成要素を意味するものと理解される。以下、本発明の実施形態に従ったプランジャ７０の構成についてさらに説明する。各プランジャ７０は、バルブ本体３０の対応する通路３０６において摺動可能である。好ましくは、通路３０６の直径は、対応するプランジャ７０の直径よりも僅かに大きい。

【0025】

図４Ａに示されるように、プランジャ７０は、好ましくは、「常閉」（normally closed：ＮＣ）および「常開」（normally open：ＮＯ）と称される２つのタイプである。典型的なクロマトグラフィ用途では、所与のタイプの複数のプランジャ７０は、それらが全て閉位置となるかまたは全て開位置となるように一緒に作動させられる。それらの名称が示しているように、常閉プランジャは閉位置に向かって付勢されるのに対して、常開プランジャは開位置に向かって付勢される。図示した実施形態では、ＮＯプランジャおよびＮＣプランジャは常開プランジャアセンブリ５０および常閉プランジャアセンブリ６０の一部である。各アセンブリ５０、６０はディスクプレート５２、６２を含み、当該ディスクプレート５２、６２からプランジャが突出／延在している。図示した実施形態では、ディスクプレート５２、６２および対応するプランジャは単一の構成要素として一体的に形成されているが、他の実施形態では、プランジャおよびディスクプレートは他の構成をとることができ、１つ以上の部品で形成することができる。プランジャは、たとえば、ディスクプレートにねじ込むことができ、追加のプッシュプレートと相互に作用することができる。

【0026】

さらに図４Ａを参照すると、この特定の実施形態では、常閉プランジャ７０ＮＣの長さは、常開プランジャ７０ＮＯの長さとは異なっている。プランジャ作動機構は、好ましくは、バルブ本体３０内でダイヤフラム４０に対して平行に延在するとともにダイヤフラム４０に対して横方向に移動可能である閉ピストン６６を含む。常閉プランジャ７０ＮＣは、常閉ピストン６６に動作可能に接続される。図２に最もよく示されるように、下方ピストン６６は、アセンブリ５０を貫通してアセンブリ６０のディスクプレート６２に接続する中央突起部として機能する。プランジャ作動機構３２はさらに、上方ピストンを含み、この場合、上方ピストンは常開プランジャアセンブリ５０のディスクプレート５２に対応している。複数のプランジャ孔６４がアセンブリ６０のディスク６２にわたって延在しており、常開プランジャがその内部を通ることを可能にする。他の実施形態では、当然、常閉アセンブリ６０が常開アセンブリ５０の下に位置するようにアセンブリ５０、６０の積層順序を逆にすることを検討することもできる。この場合、これに応じてばね／付勢手段を再構成する必要があるだろう。

【0027】

図示した実施形態では、ベルビル（Belleville）ワッシャスタックおよびプレートを含むベルビルアセンブリ８４が下方ピストン６６と協働する。ベルビルアセンブリ６６に対する力は、好ましくは、予荷重調整止めねじ８６によって制御される。ベルビルアセンブリ６６は、標準的なばねまたはポリマーブッシングなどの他の任意の付勢手段と置換えられてもよい。

【0028】

上方ピストン５２は適切な手段によって下方に付勢される。図示した実施形態では、波形ばね８０が、バルブ本体３０内から上方ピストンまたはディスクプレート５２上にわたって延在し、逆方向の力が作用していないときにそこに下向きの力を加える。したがって、常開プランジャ７０ＮＯは開位置に向かって付勢される。上方ピストン５２の上方向へのストロークは、バルブ本体３０において機械加工された肩部によって制限される。

【0029】

作動機構は、両方のタイプのプランジャ７０をそれらの開位置と閉位置との間で作動させるように動作可能である。これは、本実施形態では、上方ピストン５２と下方ピストン６６との間の距離を制御することによって達成することができる。図４Ａに示されるように、非作動時、２つのピストン５２および６６は、ベルビルアセンブリ８４および波ばね８０によって互いに向かって押込まれると互いに接触する。作動機構は、好ましくは、作動ガス供給口アダプタ８８を介して上方ピストン５２と下方ピストン６６との間に加圧ガスを供給するための空気圧アクチュエータを含む。バルブを作動させると、ガスが上方ピストン５２を上方に押し、これにより常開プランジャ７０ＮＯを閉位置に向かって摺動させ、次いで下方ピストン６６を下方に押し、これによりディスクプレート６２を下方に引張って、常閉プランジャ７０ＮＣを開位置へと後退させることによって、両方のピストン５２および６６の付勢を相殺させることとなる。加圧ガスを除去すると、ベルビルアセンブリ８４および波ばね８０の付勢効果により逆の結果が得られるだろう。

【0030】

サンプル注入用ダイヤフラムバルブに関して起こり得る１つの問題は、ダイヤフラムが処理ポート間で流体経路をふさいだままになっているときに生じる。流体連通経路４１２は、バルブヘッド中間面２０６とダイヤフラム４０における処理溝４０２の頂面との間に規定される容積であり、そこを流れるガスは２つのポート間を循環する。流体連通経路４１２においてダイヤフラムが意図されないのに変形したり膨らんだりすると、プランジャが開位置にあるダイヤフラムから後退して処理溝内にガスを流入させたときにバルブが制限されてしまう。２つのポート間の連通を遮断するためにダイヤフラムが閉プランジャによって変形した後、プランジャがダイヤフラムから後戻りしたときにこのダイヤフラムがその元の形状にもどらない場合、流量の制限または損失が起こる。バルブヘッド中間面とダイヤフラム処理溝４０２の底面との間の距離は、たとえば５０μｍ未満、典型的には２５μｍから１２μｍなどと比較的小さく、流体連通経路におけるダイヤフラムの膨らみは、たとえば５μｍなどのようにわずか数μｍであったとしても、許容可能な規格値を超える流量制限をもたらすのに十分であり得る。たとえば、許容可能な規格値は、７５ｍｌ／分の流体流量に対して、１０ｋＰＡ～２０ｋＰＡ以下、典型的には１５ｋＰＡ以下とすることができる。

【0031】

２つの処理ポート間の連通経路を遮断するとき、典型的なプランジャは、典型的にはディスク形状／円形である頂面領域全体でダイヤフラムに接触して押圧する。いくつかのバルブにおいては、複数のプランジャは、それらの周囲に沿ってのみダイヤフラムを押圧する。しかしながら、いずれの場合も、閉位置で流体を遮断するように変形させたダイヤフラムの領域は、プランジャのヘッドの領域に実質的に対応している。本出願人は、プランジャとダイヤフラムとの間の接触面積を小さくすることにより、数千回の作動サイクル後でも、漏出率を安定させたままでバルブにおける流量制限を限定できることを発見した。図７から図１１に示されるように、プランジャの頂面上にリップまたはストリップ７０６を形成することにより、結果として、プランジャがそれらの開位置に向かって後退するときにダイヤフラムが膨らむのを抑制すると考えられているものが得られることとなる。驚くべきことに、プランジャとダイヤフラムとの間の封止／接触領域が「直線的」または「径方向」の接触面にまで小さくなっても、当該接触領域は、プランジャが閉位置にあるときに流体経路を適切に遮断するのに十分である。加えて、プランジャリップが小さい領域に作動圧力を集中させても、当初考えられていたようにプランジャリップがダイヤフラム底面を変化または破損させないことが分かった。プランジャヘッドのディスク領域よりも小さいかまたはプランジャ頂部の周辺領域よりも小さい表面または領域を有するダイヤフラム接触面を備えたリップをプランジャの上に形成することにより、円形または環状の接触面を有するプランジャを用いた場合と比べて、バルブにおける流量制限を抑制することが可能となる。

【0032】

図７～図１０を参照すると、常閉プランジャアセンブリ５０および常開プランジャアセンブリ６０のさまざまな実施形態が示されている。さまざまなプランジャアセンブリのプランジャ７０の各々は、プランジャ本体７０８と、頂面７０４を有するプランジャヘッド７０２とを有し、頂面７０４にはその上に突出するリップ７０６が設けられている。「ゲート」または「突起」とも称され得るリップ７０６は好ましくは線形であり、ダイヤフラムの処理溝にわたって径方向に延在する。これらの例示的な実施形態では、図５、図５Ａ～図５Ｂ、図６、図６Ａおよび図６Ｂを参照してより詳細に説明されるように、プランジャが閉位置にあるときにリップ７０６がダイヤフラムを押圧するように、当該リップ７０６が頂面７０４にわたって延在している。好ましくは、線形リップ７０６は、プランジャのうち、閉位置にあるときにダイヤフラムに接触して当該ダイヤフラムを押圧する唯一の部分であって、プランジャ７０の最上面がダイヤフラム接触面７２４に対応している。リップには、図８Ｅのように９０度の角部を形成することができるか、または図１０Ｂのように面取りされた角部を形成することができる。図示された実施形態では、プランジャは単一の一体型部品で作られているが、プランジャを別の副次的部品から形成することを検討することもできる。たとえば、プランジャ本体およびプランジャヘッドは、一体的に形成することができるか、または、互いに直接的または間接的に接続された２つの別々の部分で構成することができる。

【0033】

図示される例示的な実施形態では、プランジャヘッド７０２はプランジャ本体７０８から延在しており、プランジャ本体７０８およびプランジャヘッド７０２はともに実質的に円筒形である。プランジャヘッド７０４は、図７Ｄに示されるように、プランジャ本体７０８の直径Ｄ_ＢＯＤＹよりも狭い直径Ｄ_ＨＥＡＤを有する。

【0034】

ここで図７Ｄおよび図７Ｅならびに図８、図８Ａおよび図８Ｅを参照すると、各プランジャ７０は、本体とプランジャのヘッドとの間に第１の円形肩部７１０と、プランジャのヘッドの頂面７０４と突出した線形リップ７０６の対向する側壁７１６、７１８との間に第２の肩部７１２および第３の肩部７１４とを含む。これらの例示的な実施形態では、各プランジャ７０の頂面７０４は、２つの半円形領域７２０、７２２と、当該突出した線形リップ７０６上の１つの矩形領域７２４とを備える。当該矩形領域は、この場合、ダイヤフラム接触面７２４に対応しており、２つの半円形領域７２０、７２２から隆起して離間している。

【0035】

ここで図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、閉位置および開位置にあるプランジャの拡大断面図が示されている。図５Ａおよび図５Ｂは、図５の線５Ａ－５Ａに沿った、すなわちリップ７０６の長さに沿った、プランジャの断面図である。図６Ａおよび図６Ｂは、同じプランジャの拡大断面図を、図５の断面に対して９０度だけ角度を変えて示している。図示した実施形態では、処理溝４０２は、溝幅Ｗ_ｇを有する環状の処理溝である。好ましくは、プランジャ７０の上に延在する突出した線形リップ７０６は、処理溝の幅Ｗ_ｇに実質的に対応する長さＬ_ｌｉｐを有する。図示した実施形態では、プランジャヘッドおよびリップの直径は、（図５Ａにおけるように）溝の幅Ｗ_ｇよりも大きいが、他の実施形態では、リップの長さ（Ｌ_ｌｉｐ）は溝の幅Ｗ_ｇ以下であり得る。

【0036】

閉位置では、図５Ｂおよび図６Ｂのように、プランジャ７０の突出した線形リップ７０６が、ダイヤフラム４０の底面４０４上の接触面４０６を押圧することで、ダイヤフラムのうち接触面４０６の両側にある領域４０８、４１０がプランジャヘッド７０２の頂面の凹んだ領域７２０、７２２に沿うとともに当該凹んだ領域７２０、７２２に面した状態で当該突出したリップ７０６の両側に延在するように、ダイヤフラムを変形させる。プランジャとダイヤフラムの底面との間に形成されるとともに参照符号４０６および７２４が付された領域に対応するダイヤフラムとリップ７０６との接触面はバルブの中心軸に対して直線的かつ径方向に延在する。このため、プランジャのリップ７０６は、閉位置にあるとき、２つの隣接する処理ポート間に単一のゲートを形成する。このゲートは、バルブの中心軸に対して径方向に延在するリップによって形成される。認識され得るように、プランジャのリップ上のダイヤフラムの底面４０４との接触面７２４は、プランジャのヘッドに対応する領域よりも狭い。このため、ダイヤフラム上のプランジャの跡が既存のプランジャと比べて小さくなり、これにより、プランジャが開位置に向かって後退したときにバルブ内の流量制限が小さくなる。

【0037】

図７および図８に示される実施形態のように突出したリップを有するプランジャを備えたサンプル注入用バルブの性能が、円形接触面を有するプランジャよりも改善されていることを実証するために実験を行なった。この実験は、上述で定義したような線形リップを備えたプランジャ付きの常閉アセンブリと、プランジャの頂端の周囲に沿って円形接触面を有する標準的なプランジャ付きの常開アセンブリとを配置することによって行なわれた。バルブ内を通るガスの流量を７５ｓｃｃ／分で一定に保ち、作動圧力を６３ｐｓｉに設定した。作動サイクル数は数千サイクルであり、閉プランジャによって連通される２つの隣接するポート間を循環する流体について流量を測定した。操作温度は１２０°Ｃであった。ここで、１ｖ１０などの各カラムごとに、２つの隣接するポート間で流量を測定した。２つのポート間のプランジャのタイプを「ゲート」および「標準」と示す。得られた結果が示すように、本発明のプランジャが用いられる場合、２つの閉ポート間でｋＰａで測定される流動制限は、標準的なプランジャが用いられる場合に測定される制限と比べて実質的に低減されている。

【0038】

【表1】

【0039】

表１：ＮＣアセンブリを備えたバルブにおいて測定された流量制限。この場合、プランジャは線形リップを備えており、ＮＯアセンブリは円形ダイヤフラム接触面を有する従来技術のプランジャを備えている。

【0040】

ポート間の交差汚染をもたらす恐れのある漏れの試験も行なった。この現象は、ダイヤフラムがプランジャによって適切に閉じられず、流体が閉プランジャによって完全に遮断されないときに発生する。漏れ速度が両方のタイプのプランジャで同様であることが分かった。押圧領域を小さくしても、予想されたのとは逆に、バルブでの漏れは増加しない。

【0041】

図７～図１０に示す実施形態では、最上面／ダイヤフラム接触面は平坦であるが、図１１Ａ～図１１Ｃに示すように、凹形状、凸形状または二重壁形状に形成されたリップを有するとみなすことができる。

【0042】

図１２Ａ～図１２Ｂおよび図１３Ａ～図１３Ｃを参照すると、ＮＣプランジャアセンブリ５０およびＮＯプランジャアセンブリ６０の他の実施形態が提供される。図示のとおり、常閉プランジャアセンブリ５０および常開プランジャアセンブリ６０のプランジャ７０は、これらプランジャが必ずしも線形リップを含まなくても、ディスクまたはプレート５２、６２と一体的に形成されることが可能である。プランジャ７０およびディスクプレート５２または６２を単一の部品または構成要素として形成する場合、プランジャの頂面７０４が同じ平面Ｐに沿って延在し、所与のアセンブリ（ＮＣまたはＮＯ）のすべてのプランジャ７０が同じ高さを有するように当該プランジャの頂面７０４を機械加工することで、一方のプランジャから他方のプランジャに対するより均一な封止特性を提供しながらもバルブの組立を促進できることが判明した。したがって、実現可能な実施形態に従うと、サンプル注入用ダイヤフラムバルブのためのプランジャアセンブリ５０または６０が提供される。プランジャアセンブリは、ディスクプレート５２または６２と、当該ディスクプレート５２または６２から突出するプランジャ７０とを備え、ディスクプレート５２または６２および複数のプランジャ７０は単一の部品として一体的に形成されている。プランジャ７０は、サンプル注入用バルブの本体のプランジャ通路に摺動可能に嵌合するような大きさおよび構成にされており、各プランジャは、プランジャがダイヤフラムを変形させて処理ポートのうち２つの処理ポート間の流体循環を遮断する閉位置と、プランジャがダイヤフラムから遠ざかるように後退して流体の循環を可能にする開位置との間で移動可能である。各プランジャは、頂面７０４を備えたプランジャヘッド７０２を有し、当該頂面は、プランジャが閉位置にあるときにダイヤフラムに押当てるためのダイヤフラム接触面を備える。ＮＣプランジャアセンブリおよびＮＯプランジャアセンブリがそれぞれ単一構成要素として形成されているこのような実施形態では、ダイヤフラム接触面７２４は、たとえば、図１１Ｄおよび図１１Ｅに示されるように線形または円形であってもよく、ダイヤフラム接触面は、図１２Ａおよび図１２Ｂに示されるように平坦であってもよく、または図１３Ａ～図１３Ｃに示されるように環形状を有していてもよい。

【0043】

図１から図１１Ｃを参照すると、動作時、たとえば、作動ガスを下方ピストン６６と上方ピストン５２との間に注入することによってバルブを作動させたとき、これにより、常閉プランジャアセンブリ６０を開構成に向かって移動させるとともに、同時に常開プランジャアセンブリ５０を閉構成に向かって移動させる。常開プランジャアセンブリ５０のプランジャは、実質的に線形であるとともに溝幅Ｗｇにわたって延在するそれぞれの接触領域７２４に沿って、ダイヤフラム４０をバルブヘッド２０に押し当てて圧縮する。

【0044】

流体は、ダイヤフラムの処理溝４０２内で複数の処理導管のうち１つの処理導管から他の処理導管に向かって循環させることができる。作動ガス注入を停止すると、常閉プランジャアセンブリ６０が閉構成に戻り、常開プランジャアセンブリ５０が開構成に戻ることによって、バルブが停止する／非作動となる。この状態において、常閉プランジャアセンブリ６０のプランジャ７０は、実質的に線形であるとともに溝幅にわたって延在するそれぞれの接触領域７２４に沿って、ダイヤフラム４０をバルブヘッド２０に押し当てて圧縮する。

【0045】

本発明の好ましい実施形態をこの明細書中に詳細に説明するとともに添付の図面において例示してきたが、本発明がこれらの的確な実施形態に限定されないこと、かつ、本発明から逸脱することなくさまざまな変更および変形が実施され得ることが理解されるはずである。

【図1】

【図2】

【図3】

【図3A】

【図4】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図7A】

【図7B】

【図7C.7E】

【図7D】

【図8】

【図8A】

【図8B】

【図8C.8E】

【図8D】

【図9】

【図9A】

【図10】

【図10A-10B】

【図11A】

【図11B】

【図11C】

【図12A】

【図12B】

【図13A】

【図13B-13C】