(57)【要約】  熱制御された可変制限装置が、温度による粘度変化により流体流を可変的に制限する。熱制御された可変制限装置は、流体を含む流路に密接に接触し、したがって流れる流体で迅速な粘度変化を達成させる熱電式ヒータ／クーラを採用することにより高速な可変流体制御を可能にしている。可変制限装置を通る流体の浸透性および流量は、制限要素の温度を変えることによって操作することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの流体路を画定し、少なくとも１つの流体路内で流体を加熱および冷却するための手段を備える制限要素と、
加熱および冷却するための手段を制御するための手段と
を備える、流体の流れを可変的に制限するための装置。
【請求項２】
制限要素が扁平管を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
少なくとも１つの流体路が蛇行形状を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも１つの制限要素が微小流体構成要素を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
加熱および冷却するための手段が冷却ユニットを備える、請求項１に記載の可変制限のための装置。
【請求項６】
制限要素が導管をさらに備え、加熱および冷却のための手段が、導管と密接に接触する熱電ヒータ／クーラを備える、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
冷却ユニットがペルチエ式熱電ヒートポンプを備える、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
冷却ユニットが受動的冷却のための手段を備える、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
加熱および冷却のための手段が、少なくとも１つの流体路に熱的接触をしている抵抗加熱要素を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
制限要素が少なくとも１つの流体路を画定する一管路部分を備え、抵抗加熱要素が管路部分の一体部分である、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
少なくとも１つの流体路と流体連通している流量センサをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
流量センサならびに加熱および冷却するための手段が流量制御装置と連通している、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
冷面および熱面を有する熱電ヒートポンプと、
熱電ヒートポンプを制御するための手段と、
第１の制限要素によって画定され、熱電ヒートポンプの冷面と熱的に連通している第１の流体路と、
第２の制限要素によって画定され、熱電ヒートポンプの熱面と熱的に連通している第２の流体路を備える、
流体の流れを可変的に制限するための装置。
【請求項１４】
第１の流体路と流体連通している第１の流量センサおよび第２の流体路と流体連通している第２の流量センサをさらに備える、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
第１の流量センサおよび第２の流量センサが流量制御装置と連通している、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
流量制御装置が熱電ヒートポンプと連通している、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
第１の流体路と熱的接触をしている第１の抵抗加熱要素および第２の流体路と熱的に連通している第２の抵抗加熱要素をさらに備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
加熱および冷却のための電気的手段と熱的に連通している流体路を形成するステップと、
加熱および冷却のための電気的手段と熱的に連通している制御手段を形成するステップと、
加熱および冷却のための電気的手段の制御に応じて路に流れる流体の温度を変化させることによって流体路内部の流体流を調整するステップを備える
流体の流れを制御するための方法。
【請求項１９】
加熱および冷却のための電気的手段がペルチエ式熱電ヒートポンプを備える、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
加熱および冷却のための電気的手段が抵抗加熱要素を備える、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００５年１月２１日に出願された米国特許仮出願第６０／６４５，８０４号の優先権を請求するものである。それら出願内容は、参照として本明細書に組み込まれている。
【０００２】
本発明は、全般的に分析課程で流体を制御すること、より具体的には液体クロマトグラフィで温度制御された可変流体抵抗要素を使用することによって流体を制御することに関する。
【背景技術】
【０００３】
液体流量制御システムは、一般的に、ニードルまたはピンチ弁のような可変抵抗要素に連結された流量センサを利用している。これら機械式弁は、大規模な応用例（例えば、＞１００μＬ／ｍｉｎの流量を制御する）に対してこれらの流量制御装置が使用されるときには確実に動作するが、＜１００μＬ／ｍｉｎの流量を正確かつ迅速に制御するには構成するのが難しく信頼できない。これらの弁は、流体が通過するポートを制限することによって動作するのが一般的である。制御流量が＜１００μＬ／ｍｉｎの流れに減少されるとこれらの制限通路の寸法が非常に小さくなり、製作公差を抑制してこの領域で弁の線形制御を可能にすることが困難である。さらにこれらの弁は、磨耗問題ゆえにその寿命が有限である可動部品を使用している。
【０００４】
ほとんどの流体の粘度は温度と共に変化する。したがって流体を固定式制限要素を通過させるのに要する圧力は流体の温度と共に変化する。流体流を温度で制御しようとする従来技術による試みがＬｅＢｌａｎｃ他（ＬｅＢｌａｎｃ、Ｊ．Ｃ．、Ｒｅｖ．Ｓｃｉ．Ｉｎｓｔｒｕｍ．Ｖｏｌ．６２、Ｎｏ．６、１９９１年６月、１６４２−１６４６）に示されてきた。Ｌｅｂｌａｎｃの装置は、ＨＰＬＣ機器の出口の所の水槽に浸した小さな直径の管路を使用してカラムを流れる流体流を制御した。Ｌｅｂｌａｎｃは、流量センサによってモニタされた流量に応じて水槽の温度を変えることにより、流体粘度を変化させることによる流量制御を実証することができた。Ｌｅｂｌａｎｃは、制限装置を通して流体粘度を操作することによる流量制御を実証したが、制御は、大きなサーマルマスおよびその結果として生ずる水槽の時定数によって限定された。さらにＬｅｂｌａｎｃの方法によって制御される温度範囲は水槽の物理的制限に制限された。
【０００５】
市販の流体流制御装置は、流量センサと流体連通している流体圧力源を有する設計を使用しているのが一般的で、その流量センサは可変制限装置と流体連通している。流量センサおよび可変制限装置は流量制御装置と連通している。従来技術による実施形態では、ニードル弁が可変制限装置として使用されている。ニードル弁式制限装置は大規模システムに対しては良く動作するが、より小さな規模で、低流量（つまり＜５０μＬ／ｍｉｎ）を制御するにはこのようなニードル弁システムの微小寸法がニードル弁の構成を難しくかつ高価にしている。これは高公差の加工装置が必要になるからである。さらに高圧システム（つまり＞５００ｐｓｉ（３．４４８ＭＰａ））に対しては弁の大気圧への漏洩を防ぐために信頼できる液体シールが必要である。残念なことにこれらニードル弁システムは使用と共に磨耗する可能性がある可動部品を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、事実上全ての流れ範囲および特に低い流れ範囲（つまり＜１００μＬ／ｍｉｎ）に適用可能であり、可動部品をもたずに従来技術による機械式装置より長い寿命を提供する可変流体制限要素を提供する。
【０００７】
本発明による装置は、溶剤の粘度特性を使用して液体流システム内部で流量制御を調整する温度制御された可変制限装置を提供することによって可変制限流量制御装置に関連する問題を有利に解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
熱制御された可変制限装置は、例示的な１つの実施形態によれば、流れる流体中で迅速な温度変化をもたらして水槽のような従来技術による取組みで可能であるよりもより高速な流量制御を可能にするために、可変流体制限装置と密接に接触して熱電ヒータ／クーラを使用することによって高速の可変流体制御を可能にしながら、温度による流体粘度変化（つまりソリッドステートの流量制御装置、可動部分無し、シール無し）によって達成されることができる独自な流体制御の可能性を保持する。本発明による可変流体制限装置を通過する流体の透過性および流量は、可変流体制限装置の温度を変化させることによって操作されることができる。
【０００９】
本発明による可変流体制限装置の低いサーマルマスは、ペルチエ要素または抵抗性ヒータのような熱電装置と共に迅速な温度変化を可能にし、有利である。低いサーマスマスゆえに、可変流体制限装置の浸透性に対して迅速で、秒以下の変化が行える。
【００１０】
本発明による可変制限装置に加えて、本発明による、低いマスの熱制御された高速応答型可変制限装置を使用していくつかの例示的な実施形態が説明される。
【００１１】
本発明の上記およびその他の特徴ならびに利点については、下記の例示的な実施形態の詳細説明を添付図面と併せ読めばより良く理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の詳細な実施形態が本明細書で開示されているが、開示される実施形態は、単に、様々な形態で具現化されることできる本発明の例証であると理解されたい。したがって本明細書に開示される具体的な機能詳細は、制限的ではなく、単に特許請求の範囲のための基礎、ならびに本発明を様々に採用するために、適切に詳細な実質的にあらゆる実施形態において当業者を教示するための代表的な基礎として解釈されるべきである。
【００１３】
図１Ａに目を向けると、本発明による熱制御された可変制限装置１００の略図が示されている。この例示的実施形態は、単段型ペルチエ式熱電ヒートポンプ１０２を使用して、ペルチエ式熱電ヒートポンプ１０２の熱面または冷面に接触して制限要素１０８を働かせるための扁平部分１０６を有する１本の管路１０４を加熱または冷却する。この例示的実施形態では、制限要素１０８を加熱または冷却するのにペルチエ式熱電ヒートポンプ１０２が使用されているが、本発明の範囲にあっては、制限要素１０８の温度が、電流を制限装置１０８を通過させることによって、または電流を制限装置１０８と熱的に接触している電気的に抵抗性である要素を通過させることによっても制御されることができることも企図されている。
【００１４】
図１Ａに示されているように温度制御装置１１０は、制限要素サーモカップル１１２を使用して制限要素１０８の温度を監視している。制限要素サーモカップル１１２は、フィードバックを促進してペルチエ式熱電ヒートポンプ１０２（および／または抵抗性ヒータ、あるいは１つまたは複数の冷却／加熱源）に加えられる電流を制御し、制限要素の温度セットポイントを実質的に一定に、したがって流体抵抗セットポイントを実質的に一定に保つ。
【００１５】
図１Ｂに描写されている一例示的代替実施形態では、抵抗性ヒータ１２０は、ペルチエ式熱電ヒートポンプ１０２無しで単体で使用でき、この場合、制限要素１０８内部の流体温度を下げるには受動的冷却に頼り、またはペルチエ式熱電ヒートポンプ１０２と併せて使用されることができ、この場合、ヒートポンプ１０２が、扁平管１０６と熱的接触をして流体制限要素１０８を形成している熱ブロックを冷却する。この例示的代替実施形態では、抵抗性ヒータが、ペルチエ式熱電ヒートポンプ１０２の冷面によってもたらされる冷却熱流（ｔｈｅｒｍａｌ  ｃｕｒｒｅｎｔ）に打ち勝って流体制限装置を加熱する。この例示的代替実施形態は、大きな蓄熱器を使用することによってより迅速な温度変化をもたらす。この例示的代替実施形態を使用することによって、単一のペルチエ式熱電ヒートポンプによりいくつかの流体制限要素が冷却されることができ、その個々の温度は、個々の流体制限要素に熱的接触をしている個々の抵抗ヒータによって制御されることができる。
【００１６】
図１Ａおよび１Ｂに示されているような例示的な実施形態では、扁平管１０６が制限要素１０８を形成している。様々な制限要素、例えば、それらに限定されるわけではないが、様々な幾何学的な内部形状をもつ管路、小径管路、粒子の詰まった管路、フリットまたは同様物が使用されることができることが本発明の範囲内で企図されている。ここに説明されている例示的実施形態は、主にμＬ／ｍｉｎからｎＬ／ｍｉｎまでの範囲で流量を制御しようとするものであるが、この流量管理範囲で十分な制限を生成する固定式制限要素は必然的に小さな直径のものである。大規模制限要素に加えて、その微小流体に関するまたはＭＥＭＳに基づく平面的な蛇行する路、あるいは粒子のベッドまたは多孔質のモノシリック構造などの多孔質媒体で満たされた路のような平面的な構造が本発明の範囲内にあることが本発明の範囲内で企図されている。
【００１７】
図２に示されているように流体の粘度はその温度が増加するにつれて減少する。図２は、水／アセトニトリルの混合物の温度２０１と粘度２０３の間のグラフであり温度が上がるにつれて粘度がどのように減少するかを表わしている。
【００１８】
図３に目を向けると、本発明による温度制御された可変制限装置を使用する流量制御システム３００を示す略図が示されている。当技術分野で知られているように、いくつかの市販流体流量制御装置は、流量センサ３０３に流体連通している流体圧力源３０１を有する設計を使用しており、その流量センサは可変制限装置３０５と流体連通している。流量センサ３０３および可変制限装置３０５は流量制御装置３０７と連通している。流量制御システムの従来技術による実施形態では可変制限装置としてニードル弁が使用されている。本発明によれば可変制限装置３０５は、熱制御された可変制限装置であり、その可変制限装置は１つの実施形態ではペルチエ式熱電ヒートポンプを使用してその温度を変えている。本発明による温度制御された可変制限装置は、本質的にシールされているソリッドステートシステムであり可動部分を有せず有利である。本発明による熱制御された可変制限装置３０５は、非常に簡単に小さな流量へスケーリングされることができる。
【００１９】
図３に示されているように、本発明による可変制限装置３０５は、本発明による可変制限装置３０５と流体連通している流量センサ３０３を有する流量制御システム３００内で使用されることができる。１つの例示的実施形態では、市販の低流量流量センサ、例えばオランダ、ルールロのブロンクホルスト社から調達可能なμ−ＦＬＯＷ  Ｍａｓｓ  Ｆｌｏｗ  Ｍｅｔｅｒ、スイス、チューリッヒムのゼンシリオン社から調達可能なＬｉｑｕｉｄ  Ｍｉｃｒｏ  Ｍａｓｓ  Ｆｌｏｗ  Ｍｅｔｅｒ  ＳＬＧ１４３０、または同等物が流量制御システム３００で使用されることができる。
【００２０】
例示的な例の中で可変制限装置が単一の流体回路内に示されているが、当業者にあっては可変制限装置が溶剤傾斜システム内部で並列構成で利用され、そのような並列構成が選択された溶剤の勾配組成を形成するために使用されることができることを理解されたい。同様に、複数の本発明による可変制限装置が流量制御システム内部で直列構成で利用することができることを理解されたい。
【００２１】
例示的な例の中で可変制限装置は、温度を変えるために熱電ヒートポンプまたは抵抗性電気要素を利用しているとして示されているが、当業者にあっては温度変化が、加熱されたまたは冷たいガスまたは液体の使用によって達成されることができることを理解されたい。
【００２２】
例示的な例の中で可変制限装置は、そのような装置を通過する流体内の、温度による粘度変化によって流量を変化させるとして示されているが、当業者にあっては流体流は、さらに流体路の構成で温度による物理的な変化によって達成されることができることを理解されたい。
【００２３】
例示的な例の中で可変制限装置は、流量センサと連通している流量制御装置および熱電ヒートポンプを利用して流量を調整しているが、当業者にあっては、流体流が熱電ヒートポンプの熱面内部の予め選定された温度によって制御されることができることを理解されたい。
【００２４】
本発明は、例示的な実施形態を参照にして説明されてきたが、当業者にあっては、本発明の精神および範囲から逸脱することなくその他の様々な変更、省略および／または追加が行われることができ、実質的な相当物がその要素に対して代用されることができることを理解されたい。さらに、特定の状況または材料を本発明の教示に適応させるために、本発明の範囲を逸脱することなく多くの変形が行われることができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために開示された具体的な実施形態に制限されるものではなく、特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を含むものとする。さらに、第１、第２その他の用語の使用は、具体的に述べられていない限り順序、重要性を表わすものではなく、第１、第２その他の用語はむしろ１つの要素を他の要素から区別するために使用されている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１Ａ】本発明の例証的な一実施形態による温度制御された可変流体制限装置をモデル化わしている概略図である。
【図１Ｂ】本発明の例証的な一実施形態による、抵抗性ヒータを有する温度制御された可変流体制限装置をモデル化わしている概略図である。
【図２】温度と水／アセトニトリル混合物の粘度の関係のグラフである。
【図３】本発明の例証的な一実施形態による、温度管理された可変制限装置を使用する流量制御システムをモデル化わしている概略図である。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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