(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
バネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
略平面な固定子面と、接触面外周によって規定され、反対側で遠位対向する固定子接触面とを規定する固定子シール装置であって、前記接触面から前記固定子面における対応する固定子ポートまで前記固定子シール装置を通して伸びる少なくとも２以上の固定子チャネルを備える、固定子シール装置と、
１または複数の回転子チャネルを規定する略平面の回転子面と、反対側で近位対向する回転子接触面とを有する回転子シール装置と、
比較的剛性のあるアクチュエータハウジングと、前記アクチュエータハウジングは、前記アクチュエータハウジングを通して軸方向に伸びる受け入れ通路を規定する内壁を有し、前記内壁は、遠位対向するハウジングベアリング支持面を備え、
前記アクチュエータハウジングの前記受け入れ通路内に軸方向に受け入れられるよう構成され、近位対向するアダプタベアリング支持面と、前記回転子接触面の接触支持のために構成されている遠位対向するアダプタ接触面とを規定するシャフトアダプタと、
回転軸に関する前記シャフトアダプタおよび回転子シール装置の回転支持のために、前記ハウジングベアリング支持面と前記アダプタベアリング支持面との間に配置されているベアリングアセンブリと、
前記固定子シール装置を軸方向に受け入れるための寸法に形成されている固定子通路と、前記固定子通路内に伸び、さらに、前記固定子接触面を軸方向に往復可能に受け入れるような寸法に形成されている受け入れポートを規定する遠位対向するハウジング接触面とを規定する比較的剛性のある固定子シールハウジングであって、前記固定子シールハウジングは、前記アクチュエータハウジング、前記ベアリングアセンブリ、前記シャフトアダプタ、前記回転子シール装置、前記固定子シール装置、および、固定子シールハウジングが、集合的に協調して、非漏れ止め条件で前記固定子シールハウジングの前記ハウジング接触面を実質的に正確な較正距離δだけ越えて前記固定子シール装置の前記接触面を軸方向に配置するように、前記アクチュエータハウジングの遠位部分に固く取り付けられるよう構成されている近位部分を有し、
圧縮取り付け条件で、前記固定子シールハウジングに取り付けられるよう構成されている固定子マニホルド装置と、前記固定子マニホルド装置は、前記非漏れ止め条件で、前記固定子マニホルド装置の近位対向するマニホルド接触面が、前記固定子接触面に接触し、前記ハウジング接触面と実質的に同一平面になるように前記固定子接触面を漏れ止め条件に再配置するよう構成され、前記固定子シール装置および前記回転子シール装置は、集合的に、それらの間の回転子−固定子界面における対応する固定子ポートと少なくとも１つの回転子チャネルとの間で漏れ止めの比較的低い圧力の流体流を可能にする圧縮力で十分に共に圧縮されること、
を備える、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
前記固定子シール装置は、ポリマ材料で構成されている、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項３】
請求項２に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
前記ポリマ材料は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）である、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項４】
請求項２または３に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
前記回転子シール装置は、基本的に、ポリマ材料、金属材料、および、セラミック材料からなる群より選択される、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか一項に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
前記固定子シールハウジングおよび前記アクチュエータハウジングは、金属材料で構成され、
前記シャフトアダプタ、前記ベアリングアセンブリ、および、前記固定子マニホルド装置は、各々、金属材料およびポリマ材料の一方で構成されている、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
前記固定子シール装置は、さらに、前記固定子面と前記固定子接触面との間に配置されている中央部分を備え、前記中央部分は、中央部分外周を有し、その少なくとも一部分が、接触面外周の一部を半径方向に越えて伸びて、それらの間に遠位対向するストップ面を形成する、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか一項に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
前記較正距離δは、約０．００１”（０．０２５４ｍｍ）＋／−０．００３”（０．０７６２ｍｍ）〜約０．０１５”（０．３８１ｍｍ）＋／−０．００３”の範囲である、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項８】
請求項１から６のいずれか一項に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
前記較正距離δは、約０．００８”（０．２０３２ｍｍ）＋／−０．００３”の範囲である、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
前記ベアリングアセンブリは、基本的に、ボールベアリングアセンブリ、ポリマ球面ベアリングアセンブリ、および、スラストベアリングアセンブリからなる群より選択される、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか一項に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
前記固定子シール装置の前記遠位対向する固定子接触面と、前記マニホルド接触面は、実質的に平面であり、互いに漏れ止めの関係にある、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
前記シャフトアダプタの前記アダプタ接触面および前記回転子シール装置の前記接触面は、実質的に平面であり、１ユニットとして回転固定されている、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか一項に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
アライメント構造が、協調的に、前記回転子シール装置を前記シャフトアダプタに整列させて、回転を固定する、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【請求項１３】
請求項１２に記載のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリであって、
前記アライメント構造は、前記アダプタ接触面から遠位に伸びる２以上の対応するガイドピンを備え、前記回転子シール装置の前記接触面は、前記ガイドピンを整列させて受け入れるための対応する凹部を規定する、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下、発明の名称を「ＳＰＲＩＮＧ−ＬＥＳＳ  ＭＵＬＴＩ−ＰＯＳＩＴＩＯＮ  ＭＩＣＲＯ−ＦＬＵＩＤＩＣ  ＶＡＬＶＥ  ＡＳＳＥＭＢＬＹ」とする、２０１４年９月２３日出願の同時係属の米国仮特許出願第６２／０５４，０３２号の優先権を主張し、その仮特許出願は参照によってその全体が組み込まれる。
【０００２】
本発明は、一般に、バルブアセンブリに関し、特に、ＤＮＡシーケンシング、体外診断（ＩＶＤ）、ＨＰＬＣ（高速液体クロマトグラフィ）、および、分析機器の分野における加圧流体の選択および方向付けのためのバネなし多位置バルブアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００３】
長年の間、回転式せん断バルブが、流体切り替え、サンプル注入、分別捕集、ストリームサンプリング、溶媒選択、および、流体方向切り替えのために加圧流体装置内で用いられてきた。ＨＰＬＣの分野では、最も従来的な応用例は、１，０００ｐｓｉｇ〜６，０００ｐｓｉｇ（６８９５ｋＰａ〜４１３７０ｋＰａの高圧領域で動作する。ここ数年で、ＨＰＬＣ圧力は、分析時間を削減し性能を向上させるために、２０，０００ｐｓｉｇ（１３７９００ｋＰａ）まで高まった。比較すると、ＤＮＡシーケンシングおよび体外診断の装置は、一般に、−１０ｐｓｉｇ〜２００ｐｓｉｇ（−６９．９５ｋＰａ〜１３７９ｋＰａ）の範囲の真空から正の圧力までのはるかに低い圧力で動作する。
【０００４】
流量制御に関して、回転式せん断バルブは、一般に、精度、精密さ、再現性、信頼性、化学的適合性、自動化の容易さ、比較的高い耐久性、および、低コストなど、複数の理由で選択される。せん断バルブの主な機能の１つは、飼料、溶媒、または、その他の加圧流体の損失を防ぐと共に、精密さ、精度、および、装置性能を達成するために、流体シールを生成することであり、漏れ速度が０．３μＬ／分から最大１μＬ／分までに制限される。同じく重要であるのは、サンプル分析、溶媒選択、パージ、および、その他の流体機能のために、或る位置から別の位置へと流体を方向付ける能力である。
【０００５】
ほぼ漏出しないシールを形成するための手段は、軸方向の力を印加して、回転子要素および固定子要素を圧縮によって接触させることである。生み出される力は、応用例に応じて、３０ｌｂｆ〜８００ｌｂｆ（１３３．４４Ｎ〜３５５８．５７Ｎ）の範囲でありうる。全てではないがほとんどの回転バルブが、らせんバネ、皿バネ、または、クローババネなどのバネによって圧縮力を印加する。これらの構成要素には、ワッシャ、調節ナット、ガイド、シム、および、ねじ切り形状など、さらなる部品が付随する。従来の荷重方法の一例は、米国特許第８，６２２，０８６号の図３に記載されており、ボールベアリング上に乗り、回転子シールを配置して固定子シールに向かって押すアダプタ構成要素に、らせんバネが含まれることが図示されている。別の例は、米国特許出願第２０１４／０１９１１４６号の図１Ｂに記載されており、４つのバネ、３つのワッシャ、スペーサ、スラストベアリング、ベアリングワッシャ、および、シムを含む最低限の１２部品を用いる従来の方法が示されている。
【０００６】
したがって、主要な要素、すなわち、上述した従来のバネアセンブリを排除することにより、部品数を大幅に削減する低圧マイクロ流体バルブアセンブリを提供することが望ましい。
【発明の概要】
【０００７】
本発明は、略平面な固定子面と、接触面外周によって規定され、反対側で遠位対向する固定子接触面とを規定する固定子シール装置を備えるバネなしマイクロ流体バルブアセンブリを提供する。固定子シール装置は、それを通して固定子接触面から固定子面にある対応する固定子ポートまで伸びる少なくとも２以上の固定子チャネルを含む。１または複数の回転子チャネルを規定する略平面の回転子面と、反対側で近位対向する回転子接触面とを有する回転子シール装置２２も備えられている。バネなしマイクロ流体バルブアセンブリは、さらに、アクチュエータハウジングを通して軸方向に伸びる受け入れ通路を規定する内壁を有する比較的剛性のあるアクチュエータハウジングを備える。内壁は、遠位対向するハウジングベアリング支持面を備える。アクチュエータハウジングの受け入れ通路内に軸方向に受け入れられるよう構成されているシャフトアダプタが備えられている。シャフトアダプタは、さらに、近位対向するアダプタベアリング支持面と、回転子シール装置の近位対向する回転子接触面の接触支持のために構成されている遠位対向するアダプタ接触面とを規定する。ベアリングアセンブリは、回転軸に関するシャフトアダプタおよび回転子シール装置の回転支持のために、アクチュエータハウジングのベアリング支持面と、シャフトアダプタのベアリング支持面との間に配置される。バネなしマイクロ流体バルブアセンブリは、さらに、固定子シール装置を軸方向に受け入れるための寸法に形成されている固定子通路を規定する比較的剛性のある固定子シールハウジングを備える。シールハウジングは、さらに、固定子通路内に伸びる受け入れポートを規定する遠位対向するシールハウジング接触面を備える。受け入れポートは、さらに、固定子シール装置の固定子接触面を軸方向に往復可能に受け入れるような寸法に形成される。固定子シールハウジングは、アクチュエータハウジング、ベアリングアセンブリ、シャフトアダプタ、回転子シール装置、固定子シール装置、および、固定子シールハウジングが、集合的に協調して、非漏れ止め条件で固定子シールハウジング４０のハウジング接触面４２を実質的に正確な較正距離δだけ越えて固定子シール装置の固定子接触面を軸方向に配置するように、アクチュエータハウジングの遠位部分に固く取り付けられるよう構成されている近位部分を備える。
【０００８】
バネなしマイクロ流体バルブアセンブリの固定子マニホルド装置は、圧縮取り付け条件で固定子シールハウジングに取り付けられるよう構成されており、その結果、マニホルド装置の遠位対向するマニホルド接触面が、最初に、非漏れ止め条件で固定子接触面に接触し、固定子シールハウジングの遠位対向するハウジング接触面と実質的に同一平面になるように固定子接触面を漏れ止め条件に再配置する。この配置において、固定子シール装置および回転子シール装置は、集合的に、それらの間の回転子−固定子界面における対応する固定子ポートと少なくとも１つの回転子チャネルとの間で漏れ止めの比較的低い圧力の流体流を可能にする圧縮力で十分に共に圧縮される。
【０００９】
したがって、ポリマシールの剛性を簡単かつ効率的に利用することによって圧縮力を生み出すための装置および方法が提供される。従来のバネアセンブリの排除に始まり、結果として、付随の構成要素も排除できる。部品の排除は、構成要素の製造費用および在庫を減らすことにより、製品コストを下げる。
【００１０】
具体的な一実施形態において、固定子シール装置は、ポリマ材料、より具体的には、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）で構成される。
【００１１】
別の構成において、回転子シール装置は、基本的に、ポリマ材料、金属材料、および、セラミック材料からなる群より選択される。さらに別の構成において、固定子シールハウジングおよびアクチュエータハウジングは、耐腐食性のために無電解ニッケルメッキされたものなど、金属材料で構成される。
【００１２】
さらに別の具体的な実施形態において、シャフトアダプタ、ベアリングアセンブリ、および、固定子マニホルド装置は、各々、金属材料またはポリマ材料のいずれかで構成される。
【００１３】
またさらに別の具体的な実施形態において、固定子シール装置は、さらに、固定子面と固定子接触面との間に配置されている中央部分を備える。中央部分は、中央部分外周を有し、その少なくとも一部分が、接触面外周の一部を半径方向に越えて伸びて、それらの間に遠位対向するストップ面を形成する。
【００１４】
一構成例において、較正距離δは、約０．００１” （０．０２５４ｍｍ）＋／−０．００３” （０．０７６２ｍｍ）〜約０．０１５（０．３８１ｍｍ）”＋／−０．００３”の範囲であり、より具体的には、約０．００８” （０．２０３２ｍｍ）＋／−０．００３”の範囲である。
【００１５】
ベアリングアセンブリは、基本的に、ボールベアリングアセンブリ、ポリマ球面ベアリングアセンブリ、および、スラストベアリングアセンブリからなる群より選択される。
【００１６】
別の具体的な実施形態において、固定子シール装置の遠位対向する固定子接触面と、マニホルド接触面は、実質的に平面であり、互いに漏れ止めの関係にある。同様に、シャフトアダプタのアダプタ接触面および回転子シール装置の接触面は、実質的に平面であり、１ユニットとして回転が固定されている。
【００１７】
さらに別の構成において、アライメント構造が、協調的に、回転子シール装置をシャフトアダプタに整列させて、回転を固定する。アライメント構造は、アダプタ接触面から遠位に伸びる２以上の対応するガイドピンを備え、回転子装置の接触面は、ガイドピンを整列させて受け入れるための対応する凹部を規定する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明のアセンブリは、添付の図面を参照すると、発明を実施する最良の形態に関する以下の記載、および、添付の特許請求の範囲から、より容易に明らかになる他の目的および利点を有する。
【００１９】
【図１】本発明に従って構成されたバネなしマイクロ流体バルブアセンブリの上面斜視図であって、固定子装置が取り付けられておらず、駆動モータアセンブリに取り付けられていることを示す図。
【００２０】
【図２】図１のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリを示す側断面図。
【００２１】
【図３】図１のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリを示す分解上面斜視図。
【００２２】
【図４】図１のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリを示す分解底面斜視図。
【００２３】
【図５Ａ】固定子シールの非圧縮状態時に、図２の輪状線５−５で切り取ったバネなしマイクロ流体バルブアセンブリの一部を示す詳細な断面図。
【００２４】
【図５Ｂ】固定子シールの圧縮状態時に、図２の輪状線５−５で切り取ったバネなしマイクロ流体バルブアセンブリの一部を示す詳細な断面図。
【００２５】
【図６】図３のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリのアクチュエータハウジングを示す拡大正面斜視図。
【００２６】
【図７】設置前のリングギアと共に、図５のアクチュエータハウジングを示す分解背面斜視図。
【００２７】
【図８】設置されたリングギアと共に、図６のアクチュエータハウジングを示す背面斜視図。
【００２８】
【図９】図３のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリの固定子シールハウジングを示す拡大正面斜視図。
【００２９】
【図１０】図９の固定子シールハウジングを示す背面斜視図。
【００３０】
【図１１】図３のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリの固定子シールを示す拡大正面斜視図。
【００３１】
【図１２】球面ベアリングを有する図１のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリの別の実施形態を示す側断面図。
【００３２】
【図１３】図１２の別の実施形態のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリの正面斜視図であって、固定子装置が取り付けられておらず、駆動モータアセンブリに取り付けられていることを示す図。
【００３３】
【図１４】図１２の別の実施形態のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリを示す分解上面斜視図。
【００３４】
【図１５】図１２の別の実施形態のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリを示す分解底面斜視図。
【００３５】
【図１６】図１２の別の実施形態のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリのアクチュエータハウジングを示す拡大背面斜視図。
【００３６】
【図１７】図１２の別の実施形態のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリの固定子シールハウジングを示す拡大正面斜視図。
【００３７】
【図１８】図１７の固定子シールハウジングを示す背面斜視図。
【００３８】
【図１９】モータアセンブリおよびアクチュエータハウジングを取り除いた図１３の別の実施形態のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリを示す拡大底面斜視図。
【００３９】
【図２０】ポリマ構成要素の間に挟まれたセラミック回転子面シール構成要素およびセラミック固定子面シール構成要素を有する図１のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリの別の実施形態を示す側断面図。
【００４０】
【図２１】駆動モータアセンブリと共に、図２０の別の実施形態のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリを示す分解上面斜視図。
【００４１】
【図２２】図２１の別の実施形態のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリを示す分解底面斜視図。
【００４２】
【図２３】ポリマ構成要素の間に挟まれたセラミック回転子面シール構成要素およびセラミック固定子面シール構成要素を有する図１のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリの別の実施形態を示す側断面図。
【００４３】
【図２４】駆動モータアセンブリと共に、図２０の別の実施形態のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリを示す分解上面斜視図。
【００４４】
【図２５】図２１の別の実施形態のバネなしマイクロ流体バルブアセンブリを示す分解底面斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
本発明は、いくつかの具体的な実施形態を参照しつつ記載されるが、その記載は本発明の例示であり、本発明を限定するものと解釈されるべきではない。当業者は、添付の特許請求の範囲によって規定された本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、好ましい実施形態に対して本発明への様々な変形を行うことができる。理解しやすいように、同じ構成要素には、様々な図面で同じ符号を付けていることに注意されたい。
【００４６】
ここで、図１〜図５を参照すると、バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ（一般に、符号２０）が提供されており、ポリマ回転子シール装置２２およびポリマ固定子シール装置２３の回転子／固定子界面２１に漏れ止めシールを形成するのに必要な圧縮力を生成するために用いられる従来の圧縮ばねスタックを排除する。バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ２０は、略平面の固定子面２５と、接触面の外周によって規定された反対側で遠位対向する固定子接触面２６とを規定する固定子シール装置２３を備える。固定子シール装置２３は、それを通して固定子接触面２６から固定子面２５にある対応する固定子ポートまで伸びる少なくとも２以上の固定子チャネルを含む。バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ２０は、１または複数の回転子チャネルを規定する略平面の回転子面２７および反対側で近位対向する回転子接触面２８を有する回転子シール装置２２と、アクチュエータハウジングを通して軸方向に伸びる受け入れ通路３２を規定する内壁３１を有する比較的剛性のアクチュエータハウジング３０と、を備える。内壁３１は、遠位に向いたハウジングベアリング支持面３３を備える。
【００４７】
図３は、アクチュエータハウジング３０の受け入れ通路３２内に軸方向に受け入れられるよう構成されているシャフトアダプタ３５が備えられていることを最もよく図示している。シャフトアダプタ３５は、さらに、近位対向するアダプタベアリング支持面３６と、回転子シール装置２２の近位対向する回転子接触面２８の接触支持のために構成されている遠位対向するアダプタ接触面３７とを規定する。ベアリングアセンブリ３８が、回転軸に関するシャフトアダプタ３５および回転子シール装置２２の回転支持のために、アクチュエータハウジング３０のベアリング支持面３３と、シャフトアダプタ３５のベアリング支持面３６との間に配置される。バネなしマイクロ流体バルブアセンブリ２０は、さらに、固定子シール装置２３を軸方向に受けるような寸法に形成されている固定子通路４１を規定する比較的剛性の固定子シールハウジング４０と、固定子通路４１内に伸びる受け入れポート４３を規定する遠位対向するシールハウジング接触面４２と、を備える。受け入れポート４３は、さらに、固定子シール装置２３の固定子接触面２６を軸方向に往復可能に受け入れるような寸法に形成される。固定子シールハウジング４０は、アクチュエータハウジング、ベアリングアセンブリ３８、シャフトアダプタ３５、回転子シール装置２２、固定子シール装置２３、および、固定子シールハウジング４０が、集合的に協調して、非漏れ止め条件で固定子シールハウジング４０のハウジング接触面４２を実質的に正確な較正距離δだけ越えて固定子シール装置２３の固定子接触面２６を軸方向に配置するように、アクチュエータハウジング３０の遠位部分に固く取り付けられるよう構成されている近位部分を備える（図１および図５Ａ）。
【００４８】
最後に、固定子マニホルド装置４５が、圧縮取り付け条件（図２および図５Ｂ）で固定子シールハウジング４０に取り付けられるよう構成されており、その結果、マニホルド装置４５の遠位対向するマニホルド接触面４６が、最初に、非漏れ止め条件で固定子接触面２６に接触し、固定子シールハウジング４０の遠位対向するハウジング接触面４２と実質的に同一平面になるように固定子接触面２６を漏れ止め条件（図５Ｂ）に再配置する。この配置において、固定子シール装置２３および回転子シール装置２２は、集合的に、それらの間の回転子−固定子界面２１における対応する固定子ポートと少なくとも１つの回転子チャネルとの間で漏れ止めの比較的低い圧力の流体流を可能にする圧縮力で十分に共に圧縮される。
【００４９】
したがって、ポリマシールの剛性を簡単かつ効率的に利用することにより、十分な程度の圧縮力が、固定子シールと回転子シールとの間で生成される。低い流圧の状況において、この軸方向の圧縮圧力は、幅広く応用されている従来のばねスタックと、それと共に用いられる付随の構成要素とを排除することが可能である。かかる部品の排除は、構成要素の製造費用および在庫を減らすことにより、製品コストを下げる。さらに、部品が少ないと、通例は、製品の信頼性および性能の改善につながる。最後に、方向付けの技術がより小型でコンパクトな設計の観点で推進されることを考えると、本発明が、装置のサイズおよびコストにおいて同様に有利な削減に寄与するバルブサイズ全体の大幅な削減をどのように可能にするのかが理解される。
【００５０】
本発明は、特に、より低い圧力の応用例（ＤＮＡシーケンシングおよび体外診断など）、および、約−１０ｐｓｉ〜約２００ｐｓｉの範囲で作用する流圧での動作に適している。これらの応用例について、回転子／固定子界面２１で生成される圧縮力は、約５００ｐｓｉ〜約１５００ｐｓｉの範囲であることが好ましい。
本発明の動作は、圧縮下での構成要素の剛性に依存する。剛性Ｋは、物体の硬さおよび変形への抵抗性として定義される。金属、プラスチック、または、エラストマのいずれでも、すべての材料が、剛性と呼ばれる特性を有する。一般に、Ｋは、断面積Ａ、厚さｔ、および、弾性率Ｅなど、物体の幾何学的因子に依存した定数である。剛性の式は、
【００５１】
［１］  Ｋ＝Ｅ＊Ａ／ｔ
【００５２】
さらに、剛性は以下のように定義できる：
【００５３】
［２］  Ｋ＝Ｆ／δ
【００５４】
ここで、Ｆは、構成要素に印加される力、δは、力によって引き起こされる変位である。力Ｆは、本発明にとって特に重要であり、式［２］から容易に導出することができる：
【００５５】
［３］  Ｆ＝Ｋ＊δ
【００５６】
したがって、有効なバネ荷重が、本来のシーリング力と共に、ポリマ要素の歪みによって生成され、各構成要素の弾性率および形状によって支配される剛性に依存する。さらに、剛性は、いくつかの材料については線形ではないことがあるので、歪みの量が、その値に影響し、結果として、有効なバネ荷重に影響する。
【００５７】
これらの式は、もちろん、特に、線形ではない荷重時の歪みが２以上の方向で起きるポリマの例で、物体がどのように変形するのかを予測するより複雑な数理モデルを単純化したものであり、物体が制約を受けるのかに依存する。しかしながら、歪みが材料の弾性域に限定され、力が一方向にのみ印加される場合、物体すなわち構成要素の組み立て体が軸方向に印加された荷重のもとでどのように歪むのかを評価するために、または、明確な変形を仮定して結果の荷重を評価するために、経験的なデータと組み合わされた線形式が十分かつ効果的であることがわかっている。構成要素の歪みは、経時的な予測できない形状変化を引き起こす塑性変形を防ぐために、比較的小さくなければならないので、約＋／−０．００１”（０．０２５４ｍｍ）の範囲の公差を有するクリティカルフィーチャを備えた構成要素を設計することが必要である。
【００５８】
本発明によると、図１および図２に示すように、完全なバルブアセンブリ２０が、サイズ１７のモータ６２と共に提供される。上述のように、バルブアセンブリ２０は、２つの主要な構成要素、すなわち、ポリマ回転子シール装置２２およびポリマ固定子シール装置２３を備える。これらのシールは、既知の物理的特性を備えた材料を選択され、設計量を正確に圧縮される（歪められる）よう設計されている。したがって、バルブアセンブリ２０の組み立て後に、回転子シール装置２２と固定子シール装置２３との間に必要な軸圧縮が生み出され、回転子／固定子界面２１で流体密シールを形成する。
【００５９】
簡潔には、図１〜図４に戻ると、回転子シール装置２２は、ベアリングアセンブリ３８の上部にあるシャフトアダプタ３５によって支持されている。この具体的な実施形態において、ベアリングアセンブリ３８は、アクチュエータハウジング３０のベアリング支持面３３（例えば、ベアリングレース）と、シャフトアダプタ３５のベアリング支持面３６との間に支持されたボールベアリングによって提供される。固定子マニホルド装置４５が、固定子シールハウジング４０に取り付けられると、マニホルド装置のマニホルド接触面４６は、固定子シール装置２３の固定子接触面２６に接触し、固定子シール装置を回転子シール装置２２に向かって圧縮する（すなわち、図２および図５Ｂの圧縮取り付け条件）。
【００６０】
本発明の一具体例において、シャフトアダプタ３５は、無充填ナイロンで構成され、回転子シール装置２２は、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）で構成され、固定子面２５は、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）で構成され、固定子マニホルド装置４５の材料は、ＵＬＴＥＭ（登録商標）ポリエーテルイミドである。固定子マニホルド装置４５は、入力および出力ラインの直接利用のためのポートを備えた独立型の構成要素であってもよいし、様々なポートおよびチャネル構成と共にポンプおよび液体センサを含む様々な部品から組み立てられ、分析装置に取り付けできるマニホルドであってもよい。
【００６１】
図５Ａは、固定子シール装置２３の拡大図を最もよく示しており、対応する略平面の接触面２６が、固定子シールハウジング４０の合わせ面の上方に突き出している。この特定の実施形態は、固定子シールハウジング４０のシールハウジング接触面４２を越えて約０．００８”（０．２０３２ｍｍ）＋／−０．００３”（０．０７６２ｍｍ）（すなわち、較正距離、δ）だけ突き出す接触面２６を有するが、大きい塑性変形のない突出の範囲は、約０．００１”＋／−０．００３”〜約０．０１５”＋／−０．００３”の範囲である。固定子マニホルド装置４５が（図２に示すように）固定子シールハウジング４０に固定されると、クランプ力が、固定子シール装置２３、回転子シール装置２２、シャフトアダプタ３５、ベアリング３８、ならびに、ハウジング３０および４０に伝えられる。結果として、アセンブリは、同一平面の位置まで０．００８”移動され（すなわち、図５Ｂに示すように、略平面の接触面２６が、略平面のシールハウジング接触面４２と同一平面上に移動され）、結果として、回転子／固定子シールインターフェース２１（図２）で回転子シール装置２２と固定子シール２３との間のシーリング力を生み出す。伝えられるシーリング力は、各構成要素の剛性および同一平面から出ていた初期の距離（固定子を固定する前の合わせ面からの固定子シールの突出）の関数である。
【００６２】
圧縮試験装置（ＩＮＳＴＲＯＮ（登録商標）圧縮試験器など）を用いて、初期評価のため、および、最終的なバルブ負荷と歪みとの関係性を導き出すために、構成要素およびサブアセンブリの剛性を決定できる。特定の一例において、本発明でアクチュエータハウジング３０、ボールベアリング３８、および、シャフトアダプタで構成されるサブアセンブリの平均剛性は、Ｋ＝９６．７ｋｌｂ／インチ（１７２６．３８ｋｇ／ｍｍ）と測定された。別個に、ＰＣＴＦＥ回転子シール装置２２およびＵＨＭＷＰＥ固定子シール装置２３の平均剛性は、それぞれ、約１４８ｋｌｂ／インチ（２６４３．８３ｋｇ／ｍｍ）および約３７ｋｌｂ／インチ（６６０．７０ｋｇ／ｍｍ）と測定された。したがって、バルブアセンブリ剛性のための式は、１／Ｋ＝１／９６．７ｋ＋１／１４８ｋ＋１／３７ｋであり、サブアセンブリ剛性のＫ＝２２．７ｋｌｂ／インチと等しい。
【００６３】
ＩＮＳＴＲＯＮ（登録商標）試験器を用いて、組み立て済みのバルブを分析すると、約０．００５”〜０．０１１”の範囲で約２２．９ｋｌｂ／インチの測定値が得られ、これは、個々の測定値の精度を裏づける。約２２．９ｋｌｂ／インチのアセンブリ剛性に基づいて、結果として得られるシーリング力は、約０．００８＋／−０．００３インチの歪みに対して、約１１４ｌｂｆ〜約２５２ｌｂｆの範囲でありうる。計算されたバルブ剛性は、式［１］Ｋ＝Ｅ＊Ａ／ｔを用いて得られた３２ｋｌｂ／インチであり、測定された剛性を超える４０％の誤差を与えることに注目すると興味深い。一般的な材料特性データ、および、形状パラメータの単純化は、初期評価に十分であるが、ほとんどの効果的な設計は、塑性変形領域で動作することを防ぐために、精度、および、荷重と歪みとの関係性のより良い理解の両方の経験的データに依存する。
【００６４】
本発明の一例において、低圧力用途でポリマシールに用いられる典型的な材料は、約３，０００ｐｓｉ〜約１０，０００ｐｓｉの範囲の引っ張り強さと、約１００，０００ｐｓｉ〜約２００，０００ｐｓｉの範囲の弾性率と、を有する。高圧力用途については、別の例において、ポリマの引っ張り強さは、約２５，０００ｐｓｉまでに達し、弾性率は、最高約１×１０６ｐｓｉまでに達しうる。
【００６５】
反復可能でロバストな設計に重要なパラメータは、公差の制御であることがわかっている。公差が広すぎる場合、公差帯の下端では、歪む材料がない。公差帯の上端では、公差が広すぎる場合、歪みが大きすぎて、性能の低下につながりうる。例えば、ポリマ材料の過剰な歪みは、塑性変形を引き起こして、シーリング力の喪失および応力破壊にもつながりうる。
【００６６】
本発明において、固定子を固定する前に固定子シール接触面２６がハウジング接触面４２上におかれる較正距離δは、＋／−０．００３”のＲＳＳ（根二乗和）公差で約０．００８”であると計算される。ポリマシール厚さの公差は、独自のラッピングおよび研磨処理を通して厳密に制御され、約＋／−０．００１インチの範囲の公差につながる。アクチュエータハウジング３０および固定子シールハウジング４０におけるその他のクリティカルディメンションの公差は、標準的なマシニング作業によって容易に制御される。さらに、ダイキャスティング金属部品、二次マシニング動作、および、射出成形プラスチックによって、製造コストが最小限に維持される。
【００６７】
図６は、固定子シールハウジング４０の受け壁４４と整列するよう厳密に公差を設定された外径壁を有する複数の弧状部分４７を備えたダイキャストアクチュエータハウジング３０の上側を示す。さらに、固定子シールハウジング４０のクロッキングすなわち角度アライメントおよび位置決めは、ハウジング３０の弧状部分４７の間の３つのスロット４８を用いて達成される。アクチュエータハウジング３０は、ベアリングアセンブリ３８の（この例では）１４個の鋼鉄ボールベアリングの数に合ったボールベアリングレース（ハウジングベアリング支持面）３３を備える。アクチュエータハウジングは、耐腐食性のため、および、鋼鉄ボールベアリングに硬い耐摩耗性の表面を提供するために、無電解ニッケルメッキされることが好ましい。
【００６８】
アクチュエータハウジング３０の背面が、図７に示されており、内壁４９は、圧入される射出成形リングギア５１を受け入れるように構成されている直径を有する。ハウジングは、さらに、図８に示すように、アクチュエータハウジング３０の４つのアライメントリングギアリブ５２を軸方向に滑らせて受け入れるようなサイズを有する４つのハウジングスロット５０を備える。
【００６９】
ここで、図９を参照すると、固定子シールハウジング４０のハウジング接触面４２から遠位に突き出た打ち込みアライメントピン５５を備える固定子シールハウジング４０の前面が示されている。これらのピン５５は、固定子マニホルド装置４５の接触面４６のための位置決め、アライメント、および、取り付け支持を可能にする。製造を容易にするために、ハウジング接触面４２およびマニホルド接触面４６は両方とも、固定子接触面と同様に、略平面である。
【００７０】
固定子シールハウジング４０の背面（図１０）は、アクチュエータハウジング３０の弧状部分４７に係合するために、厳しい公差の内壁４４と、そこから半径方向内向きに突出する３つのアライメントリブ５６と、を備える。さらに、固定子通路４１の一部を規定する内壁５４が、固定子シールハウジング４０の受け入れポート４３を通して固定子接触面２６を位置決めしてアライメントするような寸法に形成されている３つの位置決めリブを備える。ダイキャスト部品全体が、耐腐食性のために無電解ニッケルメッキされる。
【００７１】
最後に、固定子シールハウジング４０の受け入れポート４３を規定する内壁は、固定子シール装置２３のニップル部分５９の接触面外周を往復可能に受け入れるために、比較厳しい公差ｄである。しかしながら、受け入れポート４３の内壁および接触面外周の外壁は、固定子装置２３の圧縮中にニップル部分５９の軸方向の移動を可能にするようなサイズでなければならない。したがって、圧縮中の或る程度の直径拡大を考慮しなければならない。
【００７２】
図１１は、固定子シール装置２３の固定子面２５を示す。固定子シールハウジング４０の固定子通路内に収容された時に、対応する位置決めリブ５７に合うように、アライメントスロット６１が提供されている。固定子シール装置２３の中央部分は、遠位対向するストップ面６３を備えた円形ショルダを少なくとも部分的に形成するニップル部分５９の外壁よりも広い直径を有する。このショルダは、スロット６１の収容と、受け入れポート４３を通してのニップル部分の遠位移動を制限することを可能にする。
【００７３】
本発明の別の一実施形態において、図１２〜図１５に示すように、バルブアセンブリ２０は、同様に、ポリマ回転子シール装置２２およびポリマ固定子シール装置２３からなる。回転子シール装置２２は、ベアリングアセンブリ３８の上部にあるシャフトアダプタ３５によって回転可能に支持される。この別の構成において、ベアリングアセンブリは、アクチュエータハウジング３０の受け入れ通路３２に収容された２部品の球面スラストベアリング３８によって提供される。内壁３１およびハウジングベアリング支持面３３の両方が、シャフトアダプタ３５ひいては回転子シール装置２２への回転支持を提供する。簡潔には、図１４および図１５に示すように、２部品の球面スラストベアリング３８は、ベース部分６７および球面ワッシャ７０を備える。
【００７４】
同様に、固定子マニホルド装置４５は、固定子シールハウジング４０に取り付けられ、図５Ａ〜図５Ｂで上述したのと同様に、固定子シール装置２３の接触面２６と接触して、一緒にサブアセンブリを圧縮する。
【００７５】
図１２〜図１５のこの具体的な別の実施形態において、シャフトアダプタ３５は、アルミニウムまたは鋼鉄で形成され、回転子シール装置２２の材料はＰＣＴＦＥであり、固定子面シール２３はＵＨＭＷＰＥであり、固定子マニホルド装置４５の材料はＵＬＴＥＭ（登録商標）である。固定子マニホルド装置４５は、入力および出力ラインの直接利用のためのポートを備えた独立型の構成要素であってもよいし、様々なポートおよびチャネル構成と共にポンプおよび液体センサを含む様々な部品から組み立てられ、分析装置に取り付けできるマニホルドであってもよい。図５Ａおよび図５Ｂは、固定子シール装置２３の接触面２６が固定子シールハウジング４０のシールハウジング接触面４２を越えて千分の数インチだけ突出する最初の実施形態と全く同じように、この設計変更に適用される。
【００７６】
図１３は、ｄｃモータ７１およびギヤトレーンを備えた完全なバルブアセンブリ２０を最もよく図示している（固定子マニホルドは除去されている）。この実施形態では、図１８に示すように、固定子シールハウジング４０は、２位置バルブ構成を可能にするために、機械的ストップ８０を備える。しかしながら、ｄｃモータ７１は、複数の角度位置を命令、検知、および、制御するために、多くの回転位置センサ装置の内のいずれかを備えてもよい。ｄｃモータは、単一のギヤトレーンまたは複数スタックのギヤボックスにも組み込まれてもよい。
【００７７】
ここで、図１６を参照すると、ダイキャストアクチュエータハウジング３０が、図１２〜図１５のバルブアセンブリ２０の別の実施形態に提供されている。この具体的な構成において、内壁３１およびベアリング支持面３３は、ベアリングアセンブリ３８に支持を提供するようなサイズである。この構成において、ベアリングアセンブリ３８は、球面スラストベアリングによって提供されるため、支持面３３は、スラストベアリングのベース部分６７に軸支持を提供する。
【００７８】
再び、同様に、内壁３１は、固定子シールハウジング４０の部分を整列させて、協調的に中に受け入れるように厳しく公差を設定された直径を有する。さらに、固定子シールハウジング４０とアクチュエータハウジング３０とのクロッキングすなわち角度アライメントおよび位置決めは、シールハウジングに向かう合わせ面に形成されている３つのスロット４８を用いて同様に達成される。
【００７９】
アクチュエータハウジング３０が、耐腐食性のために無電解ニッケルメッキされるか、または、一部が鋼鉄で製造されてもよい。また、アクチュエータハウジング３０を固定子シールハウジング４０に取り付けるための貫通孔７５、ｄｃモータを取り付けるための貫通孔７６、固定子マニホルド装置４５を固定するためのねじ穴７７も備えられる。さらに、固定子シールハウジング４０上に機械的ストップ８０を係合するために用いられる機械スロット７８が提供される（図１８）。
【００８０】
ここで、図１７を参照すると、図１２〜図１５の別の実施形態のバルブアセンブリの固定子シールハウジング４０の前面が図示され、前面における固定子マニホルド装置４５の位置決めおよびアライメントのための打ち込みアライメントピン８１が示されている。図１８は、アライメントリング７９から外向きに突出した３つのアライメントリブ５６を備える固定子シールハウジング４０の背面を示す。アライメントリング７９のリブ５６および外径は、アクチュエータハウジング３０の対応する受け入れスロット４８および内壁３１（図１４および図１６）に対して厳しい公差を持つ。さらに、図１８に戻ると、固定子シールハウジング４０は、そのアライメントのために固定子シール装置２３における対応するスロット６１内に受け入れられる３つの内側位置決めリブ５７と、固定子シールの外径の受け入れおよびアライメントのための内径と、を備える。
【００８１】
背面からマニホルドまでバルブを取り付ける必要がある場合、２つの貫通孔８２がウィング部分に設けられる。アクチュエータハウジング３０を固定子シールハウジング４０に取り付けるために、ねじ穴８５も利用できる。さらに、図１８および図１９に示すように、ポジション流体制御を提供するために、回転子シール装置２２を回転可能に支持するシャフトアダプタ３５の回転を制限する機械的ハードストップ８０が提供される。ダイキャスト部品全体が、耐腐食性のために無電解ニッケルメッキされるか、または、鋼鉄で製造されてもよい。
【００８２】
スラストベアリング実施形態の別の具体的な構成を図２０〜図２２に示す。ベアリングアセンブリ３８のこのスラストベアリング構成において、バルブアセンブリ２０は、セラミック回転子シール装置８４、セラミック固定子面シール８６、および、ポリマ固定子シール装置２３を備える。セラミック回転子シール装置８４は、アクチュエータハウジング３０の受け入れ通路３２に収容された２部品の球面スラストベアリング３８の上部にあるシャフトアダプタ３５によって支持される。固定子マニホルド装置４５が、固定子シールハウジング４０に取り付けられ、固定子シール装置２３の固定子接触面２６と接触する。
【００８３】
本発明のこの変形例において、セラミック回転子シール装置８４およびセラミック固定子面シール８６は、ポリマ球面スラストベアリング３８と、ポリマ（ＰＣＴＦＥまたは同様の材料）の固定子シール装置２３との間に挟まれる。ポリマの組み合わせは、ばね効果を生み出すよう機能すると同時に、スタック内の他の構成要素が平行ではない接触面を持ちうる場合でも、回転子シール装置８４および固定子面シール８６のハードセラミック面が互いに実質的に平行に向けられることを可能にする。ハード面の間の非平行の条件は、表面の不均一な荷重および摩耗によって引き起こされる寿命の短縮に寄与する。しかしながら、この代替設計では、一端のベアリングおよび他端のポリマシールが、軸方向および平面でのミスアライメントに対処するため、ポリマ球面スラストベアリング３８およびポリマ固定子シール装置２３は、ハードコートされたセラミック回転子シールが、より均一な動きでセラミック固定子面シール上を回転することを可能にする。この例でも、固定子面が固定子ハウジングを越えて千分の数インチだけ突出する最初の実施形態と全く同じように、図５Ａおよび図５Ｂがこの設計の変形例に適用される。
【００８４】
本発明の別の変形例が、図２３〜図２５に示されており、ポリマエネジャイザ８７およびセラミック回転子シール装置８６の追加を含む。回転子シール装置は、ポリマエネジャイザ８７上にあるシャフトアダプタ３５によって支持される。２部品のポリマ球面スラストベアリング（すなわち、ベアリングアセンブリ３８）が、アクチュエータハウジング３０の（ベアリング支持面３３および内壁３１によって規定された）受け入れ通路３２に挿入され、ベアリング支持を提供すると共に、ばね要素としても寄与する。固定子マニホルド装置４５が、この実施形態では、アクチュエータハウジング３０に直接取り付けられており、以前の実施形態の固定子シール装置および固定子シールハウジングが排除されている。この構成において、略平面のマニホルド接触面４６は、コーティングされたセラミック回転子シール８６の回転面９０と直接接触する固定子面８８を提供する。
【００８５】
本発明のこの変形例において、平ワッシャ形状のポリマエネジャイザ８７は、約５０ｋｌｂ／インチ〜約２００ｋｌｂ／インチの範囲の剛性を備えたＰＣＴＦＥまたはその他のポリマ材料から構成される。ポリマエネジャイザ８７およびポリマスラストベアリング３８のポリマの組みあわせは、協調して、ばね効果を生み出すと同時に、スタック内のその他の構成要素が平行ではない接触面を落ちうる場合でも、ハードセラミック回転子８６の面が、金属面または固定子マニホルド装置４５の面と実質的に平行に向けられることを可能にする。ハード面の間の非平行の条件は、表面の不均一な荷重および摩耗によって引き起こされる寿命の短縮に寄与する。しかしながら、この代替設計では、ベアリングおよびポリマエネジャイザが、軸方向および平面でのミスアライメントに対処するため、ポリマ球面ベアリングおよびポリマエネジャイザは、ハードコートされたセラミック回転子シールが、コーティングされた金属固定子上でより均一な動きで回転することを可能にする。この構成において、アクチュエータハウジング３０の略平面の遠位接触面９１を越えて較正距離δだけ突出するのが回転子シール装置８６の回転面９０であることを除けば、図５Ａおよび図５Ｂの概念は、この設計の変形例に適用される。
【００８６】
本発明は、２０００ｐｓｉ未満の用途、および、高いライフサイクル能力を必要とする圧力用途（例えば、すべてのＨＰＬＣ機器プラットフォーム／設計）のための、せん断面バルブアセンブリに適用するものとして主に記載されているが、この技術は、すべてのせん断バルブアセンブリプラットフォーム／設計（ＡＩ（分析化学）およびＩＶＤ（体外診断）など）に適用されてもよいことを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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