(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良された流体混合用のバルブであって、前記バルブは、複数のインレットポートのそれぞれで、バルブマニホールドに向けられた複数の流体を受け、制御された態様にて共通ポートで複数の流体を混合し、それによって、流体状配合物を共通のアウトレットポートに供給できるようになっており、前記バルブは、
前記バルブマニホールドの内部に設けられた複数の導管と、
前記バルブマニホールドの内部に設けられた複数のアキュムレータチャンバーと、
複数のチャンバーポートとを備えており、
前記複数の導管の各々は、複数のインレットポートのうち対応する１つを通る流体を受け、
前記複数のアキュムレータチャンバーの各々は、前記複数の導管の対応する１つを通る流体を受け、前記複数のアキュムレータチャンバーの各々は、該アキュムレータチャンバー内に配置されたダイヤフラムを備えており、前記ダイヤフラムの第１の側が、それぞれのアキュムレータチャンバーの内側に露呈されており、前記ダイヤフフムの第２の側が、前記バルブマニホールドの外部に露呈されており、
前記複数のチャンバーポートの各々は、前記複数のアキュムレータチャンバーの対応する１つに連通し、前記共通ポートに選択的に連通していることを特徴とするバルブ。
【請求項２】
請求項１に記載のバルブにおいて、
前記ダイヤフラムは、密封用のプラグによって、前記それぞれのアキュムレータチャンバー内に保持されており、前記密封用のプラグは、前記ダイヤフラムの前記第２の側が前記バルブマニホールドの外部に露呈できるように形状づけられていることを特徴とするバルブ。
【請求項３】
請求項１に記載のバルブにおいて、
前記ダイヤフラムは、ボア内に挿入された円筒形の密封用のプラグによって前記対応するアキュムレータチャンバー内に保持されていることを特徴とするバルブ。
【請求項４】
請求項３に記載のバルブにおいて、
前記ボアは、該ボア内に配置された密封用の溝を有する密封用の表面を備えており、前記円筒形の密封用のプラグの表面が、密封用の隆起部を備えており、前記隆起部は、前記密封用の溝に嵌合できるように形成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項５】
請求項２に記載のバルブにおいて、
前記密封用のプラグは、挟持用のプレートによって、前記バルブマニホールドに係合する状態に維持されていることを特徴とするバルブ。
【請求項６】
請求項５に記載のバルブにおいて、
弾性部材が、前記密封用のプラグと前記挟持用のプレートとの間に配置されていることを特徴とするバルブ。
【請求項７】
請求項１に記載のバルブにおいて、
前記ダイヤフラムは、ＰＴＦＥとＦＥＰとを備えた積層された部材であることを特徴とするバルブ。
【請求項８】
バルブであって、
バルブマニホールドと、
前記バルブマニホールドのために設けられたインレットポートと、
前記インレットポートを通して流体を受けることができるように形成され、前記バルブマニホールドの内部に設けられた導管と、
前記導管を通して流体を受けることができるように形成され、前記バルブマニホールドの内部に設けられたアキュムレータチャンバーと、
前記アキュムレータチャンバーのベース部に配置され、前記アキュムレータチャンバーの内側に露呈された第１の側と、前記バルブマニホールドの外部に露呈された第２の側とを有するダイヤフラムと、
前記アキュムレータチャンバーから前記バルブマニホールドの外部に流体を移送できるように形成されたチャンバーポートとを備えたことを特徴とするバルブ。
【請求項９】
請求項８に記載のバルブにおいて、
前記アキュムレータチャンバーは円錐台形状のチャンバーであり、前記ベース部は前記円錐台形状のチャンバーの円錐形ベースとなっており、前記ダイヤフラムは前記円錐形ベースに配置されていることを特徴とするバルブ。
【請求項１０】
請求項８に記載のバルブにおいて、
前記ダイヤフラムは、密封用のプラグによって前記アキュムレータチャンバーに保持されており、前記密封用のプラグは、前記ダイヤフラムの第２の側が前記バルブマニホールドの外部に露呈できるように形成されていることを特徴とするバルブ。
【請求項１１】
請求項８に記載のバルブにおいて、
前記ダイヤフラムは、ボアに挿入される円筒形の密封用のプラグによって、前記アキュムレータチャンバーに保持されていることを特徴とするバルブ。
【請求項１２】
請求項１１に記載のバルブにおいて、
前記ボアは、着座用の表面を備えており、前記着座用の表面には密封用の溝が配置されており、前記円筒形の密封用のプラグの表面は、前記密封用の溝に嵌合できるように形成された密封用の隆起部を備えていることを特徴とするバルブ。
【請求項１３】
請求項１０に記載のバルブにおいて、
前記密封用のプラグは、挟持用のプレートによって、前記バルブマニホールドに係合する状態に維持されていることを特徴とするバルブ。
【請求項１４】
請求項１３に記載のバルブにおいて、
弾性部材が、前記密封用のプラグと前記挟持用のプレートとの間に配置されていることを特徴とするバルブ。
【請求項１５】
請求項８に記載のバルブにおいて、
前記ダイヤフラムは、ＰＴＦＥとＦＥＰとを備えた積層された部材であることを特徴とするバルブ。
【発明の詳細な説明】
１．発明の分野
本願発明は、液状配合物の制御に関し、特に、高性能な液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）システムのような、ポンプに適切に比例して流体成分を供給するバルブの改良に関する。
２．背景
ＨＰＬＣシステムのような、液状配合物の成分を低圧で計量し且つ供給するシステムで使用するためのバルブは知られている。かかるシステムでは、液状配合物の成分を正確に比例させることが要求される。米国特許第４，５９５，４９６（’４９６特許）は、制御された割合で液体を混合することを要求するような適用例を扱った種々の公知の実施例を説明している。’４９６特許を参照することによって、当該’４９６特許の内容は本願明細書に組み入れられるものとする。’４９６特許は、ＨＰＬＣシステムにおいて液体を供給するための高圧ポンプの入口に設けられたスイッチング（切り換え）バルブ装置を有する新規なシステムを開示し、またクレームしている。
’４９６特許の発明は、液体クロマトグラフィーの用途での使用に適したシステムを提供することによって、従来技術の制約と問題点を解決している。そのシステムにおいては、ＨＰＬＣポンプの吸引工程の不均一性に関する問題と溶剤（溶媒）供給システムの流体慣性（fluid inertia）に関する問題とが、最小限とされ、同時に、システム設計やコストに対する影響も最小にするとされている。これは、ＨＰＬＣカラムに最大量の供給を与えることができるように、複数のリザーバを、スイッチングバルブ装置を介して高圧ポンプのインレット（すなわち、入口）に接続することによって成し遂げられる。前記リザーバの各々は、液状配合物を形成するために混合されるべき液体を含んでいる。
’４９６特許に説明されているように、コントローラが、スイッチングバルブを作動させることにより、液体の流量と配合とを次のように制御している。すなわち、数サイクルにわたってこのスイッチングバルブが作動することにより、ポンプの吸引工程が均一に保たれない場合でも、液状配合物の各々は、等しく分配される。マイクロプロセッサが、ポンプと流体スイッチングバルブとの双方を駆動する。マイクロプロセッサは、作動のために選択されるすべてのリザーバを接続する時間と、ポンプの吸引工程のためのサイクル時間との間の比を作り出すための手段を備えている。ポンプ駆動の出力をバブル駆動装置に接続することによって、前記比は、所定の流量の範囲内でクロマトグラフィーシステムの操作全体にわたって、一定に保持される。
容積インテイク率（volumetric intake rate）の不均一性に関連した問題を避けるために、’４９６特許によれば、ポンプのサイクル時間とスイッチングバルブのサイクル時間との間の関係、すなわち、これらの時間の比を、１より大きいか又は小さい値の非整数とするのが効果的であるとされる。それにより、スイッチングバルブが多数のサイクルを繰り返す間に、ポンプのインテイク率の不均一性は平均化される。それによって、数回の吸引行程ののち、液状配合物の配合が平均化して、より厳密な混合が得られる。
ポンプのサイクル時間とスイッチングバルブのサイクル時間との間の関係を非整数の比とすると、配合物の配合の精度に影響を与えるという他の問題が生じる。というのは、ポンプのインテイク率が広い範囲で変化する状態でスイッチングバルブが作動されるからである。特に、ポンプの吸引工程のうちインテイクを迅速に行う部分においてバルブをスイッチングして開閉させると、バルブを通る流量は、理想的には、瞬間的に変化すべきであろう。しかしながら、溶剤リザーバとバルブとの間の比較的長い管における流体に関連した液圧慣性（hydarulic inertia）が、瞬間的な流れの変化に抵抗する。これにより、配合が不正確になると共に、配合が予測不可能となる。配合は、流量、管の長さ、管の直径、管の剛性、溶剤濃度、溶剤圧縮率などの具体的な作動状態に大きく依存している。流量が増えるほど、および／または、バルブが作動する継続時間が短くなるほど、配合の不正確さ及び配合の予測不可能性の問題は大きくなる。これらの問題は、特に、流量と溶剤の配合とが広いダイナミックレンジにわたる状態で作用するように設計されたシステムにおいて大きくなる。
’４９６特許によれば、該’４９６特許に記載のものと同様の参照符号を備えた本願明細書の図１（’４９６特許の図５に対応する）に示したように、問題の液圧慣性は、一連の液圧アキュムレータ１９Ａ、１９Ｂを設けることによって対処されている。液圧アキュムレータは、各リザーバごとにひとつが設けられる。液圧アキュムレータ１９Ａ、１９Ｂは、リザーバに最も近い側にあるスイッチングバルブ装置１７Ａ、１７Ｂのすぐ近く、すなわち、前記システムの低圧側に設けられている。液圧アキュムレータ１９Ａ、１９Ｂを設けることによって、バルブ装置１７Ａ、１７Ｂを通る流体の流れは、ポンプの吸引工程の間、排出量に正確に対応することができるようになっている。各液圧アキュムレータ１９Ａ、１９Ｂは、軟質な壁付きの可撓性のプラスチック製の管５０を備えている。管５０は、ほぼ円形の横断面となっている。アキュムレータの管５０は、バルブ入口に近い側の端にて、硬質でプラスチック製のコネクター５２に嵌合している。接続用の管５４がアキュムレータ管の他端に設けられており、これにより、バルブ装置をリザーバに接続する比較的長さの長い流入管５６を保持できるようになっている。接続用の管５４に隣接したアキュムレータ管の端の横断面は、ほぼ平らに近くされた楕円５５となっている。これにより、アキュムレータ管内の内部容積が大きく変化している。これに伴う圧力変化はほとんどない。これにより、アキュムレータは液圧慣性の影響を免れている。
しかしながら、このようなアキュムレータ管を設けることにより、それ自身が引き起こす幾つかの問題を抱えることになる。まず、アキュムレータ管を追加することにより、スイッチングバルブアセンブリを収容するために必要なスペース量がかなり増加する。アキュムレータ管を妨害しないように収容する、例えば、アキュムレータ管にねじれを与えたり他の制約を課することなく収容するためには、スペースを十分に取らなければならない。
アキュムレータ管のそれぞれは、２つの端を相互接続する必要がある。すると、当該システムの密封性に関して信頼性に欠ける可能性が生じる。アキュムレータ管のいずれか一端の密封が不十分になると、システムに漏れが生じ、流体が排出したり、空気が当該システムに入り込むことになる。
アキュムレータ管の密封が破れた箇所から当該システムに空気が入り込む可能性に加えて、アキュムレータ管の表面積が大きいと、管それ自身が通気性を有することとなり、空気が当該システムに入り込む可能性が生じる。空気が前記システムに入り込んだり、溶剤に入り込んだりすると、ポンプの圧送により生じる流体の流れに誤差が発生する。インラインで溶剤のガス抜きを行うようにしたシステムにおいては、アキュムレータ管の通気性によって引き起こされる問題は、より悪化する。
さらに、アキュムレータ管には、該アキュムレータ管から溶剤を取り除くのが容易ではない部分、すなわち、取り除かれない一部の溶剤が集まる領域が存在する。このような未除去の溶剤は、気泡を保有しており、流量の精度を低下させる。溶剤が取り除きにくい領域があるということは、溶剤成分が残留することになり、これにより、システムの洗浄や溶剤の交換に、より多くの時間が必要となる。このように、アキュムレータ管内（特に、管の結合部分）に、内容物が除去されない領域部分がある、という問題が存在する。
３．発明の概要
本願発明は、改良されたグラジエント・プロポーショニング・バルブスイッチング機構を提供するものである。このグラジエント・プロポーショニング・バルブスイッチング機構は、確実に密封された小型のバルブアセンブリにおいて、液圧慣性を補償する。前記バルブアセンブリは、内容物が除去されない領域部分やガス通気性にほとんど影響されないようになっている。
本願発明によれば、従来技術のアキュムレータ管は、平坦なダイヤフラムに置き換えられている。ダイヤフラムは、バルブマニホールドブロックと一体になったアキュムレータ容積部内に設けられている。ダイヤフラムのコンプライアンス及びダンピング（減衰）機能が、適用される流体の流動特性に応じて最大限に活用される。マニホールドブロックに設けられた密封用のプラグによってダイヤフラムが密封されている。従来のアキュムレータ管では密封すべき結合部を多数必要としていたのに比較して、ダイヤフラムでは、密封すべき結合部が１つしか設けられていない。
密封用プラグは、ダイヤフラムの挟持性および密封性の信頼性を高めることができる形状となっている。これにより、漏れの可能性が実質的になくなっている。バルブマニホールドの一部にアキュムレータ容積部を一体的に設けることによって、内容物が除去されない領域部分が生じる可能性が実質的になくなっている。バルブマニホールドの一部にアキュムレータ容積部を一体的に設けることによって、アキュムレータに入っている液体のうち露呈した容積部分とアキュムレータの表面積とを減少し、これによって、流体の流れの中への空気の入り込みが実質的に減少する。バルブの寸法は、外部に設けたアキュムレータ管及び関連する継ぎ手を省略できたことによって減少する。
本願発明のさらなる特徴及び効果は、インライン型の溶剤ガス抜きを採用しやすく、したがって、その利益を受けることのできるバルブが提供されるということである。本願発明のバルブによって、液体の配合物の成分のそれぞれの割合をより正確に供給できる。本願発明は、圧送される流体の流動に有用な影響を与えるものである。
本願発明のさらに他の特徴、効果、及び観点は、図面と関連して、例示された実施例の説明から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、液圧慣性に関連した問題を解決するために設けられた従来技術のアキュムレータ管の実例である。
図２は、本願発明にかかわるアキュムレータダイヤフラムで実施された、改良されたグラジエント・プロポーショニング・バルブの断面図である。
５．詳細な説明
グラジエント・プロポーショニング・バルブは、外部リザーバから当該バルブ内に流入する複数の流体の流動を調節するようになっている。当業者によって知られているように、該バルブによって、流入する複数の流体を適切な割合で混合して、液状配合物を生成できるようになっている。実際の実施例において、そのようなバルブは、典型的に、４つのインレットバルブを備えており、インレットバルブは、共通のアウトレット、すなわち共通の出口に連通している。機能的観点から言えば、これも知られているように、各インレットバルブは、常時閉じた、ソレノイドで作動するダイヤフラムバルブとなっている。このダイヤフラムバルブのスイッチング（すなわち切り換え）を制御することによって、液状配合物を混合するうえで必要な適切な量の流体を供給できるようになっている。バルブの全体的な機能は、ＨＰＬＣ装置の溶剤のような成分を正確に配合して混合し、連続的に流れるようにすることである。この混合物は、流入側の流体の流れの流量を妨害することなく、また、混合すべく流入する流体の品質や配合を変えたりそれらに影響を与えることなく、流動状態で共通の出口から排出されなければならない。
図２を参照すると、本願発明にかかわるグラジエント・プロポーショニング・バルブが図示されている。グラジエント・プロポーショニング・バルブは、バルブマニホールド１０を備えるように形成されている。バルブマニホールド１０は、外部リザーバ（図示せず）から流入する流体の流れを調節するようになっている。本願明細書の説明を明瞭にするために、ここに記述され図示されたバルブは、２つの流入側からの流体の流れのみを混合できるようになっている。混合すべき流入側の流体の流れは、リザーバから供給され、インレットポート１２でバルブ内に導入される。当該技術分野で公知のように、ＨＰＬＣで使用される溶剤のような、それぞれのリザーバから供給される流体は、それぞれのインレットポート１２内に流入する。そして、その後、バルブマニホールド１０のそれぞれのインレット導管１４を通って、それぞれのアキュムレータ容積部すなわちアキュムレータチャンバー１６内に流入する。
一体的に形成されたアキュムレータチャンバー１６の寸法は、インレットポート１２及びインレット導管１４の寸法と共に、バルブが使用されるときの流体流量に対する関数要素となるように適切に決定されている。アキュムレータチャンバー１６は、インレット導管１４に対向する円錐形ベースを有するように円錐台形状となっている。アキュムレータチャンバー１６は、（コンプライアンスのための）ダイヤフラムの表面積を最大限にするように形成されている。インレット導管１４は、内容物を最も除去しやすいような形態が得られるように位置決めされている。これにより、アキュムレータチャンバー１６もまた、大きい横断面からより小さい横断面へと円滑に移行する形態となっている。アキュムレータチャンバー１６の配置は、後述するバルブダイヤフラム４０（図２参照）とアキュムレータとの間の流体抵抗（fluidic resistance）が最小となるようになされている。インレット導管１４を通る流体は、アキュムレータチャンバー１６の円錐形ベースに対して直角方向となるようにしてアキュムレータチャンバー１６内に流入し、該チャンバー１６の後部の方を向く流れとなる。
アキュムレータダイヤフラム１８は、アキュムレータチャンバー１６の、インレット導管１４とは反対側の位置、すなわちアキュムレータチャンバー１６の後部の円錐形ベースに位置決めされている。アキュムレータダイヤフラム１８は、この実施例において、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）で各側面を積層したポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）から形成された０．００２インチ（約０．０５０８）の厚さのフィルムすなわち薄膜となっている。ＮＨ（ニューハンプシャー）のＭｅｒｒｉｍａｃｋに所在するＣｈｅｍｉｃａｌ  Ｆａｂｒｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手できるタイプＤＦ−１７００−ＤＢの加熱接合可能なキャストテープが、本願の実施例において使用される。
本願発明の図示した実施例の流路にすべての構成要素が設けられた状態において、ダイヤフラムは、酸、塩基、塩化ナトリウム、界面活性剤などの有機溶剤および水性溶液の全範囲によって機能的に悪影響を受けない材料であって、液体クロマトグラフィーの任意のモードで使用可能な他の調相手段（phase modifier）によって形成されている。ダイヤフラム１８は、アキュムレータチャンバー１６の後部でメンブレン（隔膜）ないしコンプライアンス部材として機能しており、これにより、チャンバーの内部容積が、圧力変化がほとんどない状態で変化することができる。したがって、本願発明のバルブは、液圧慣性の影響を無くすことができる。これは、従来技術のアキュムレータ管の場合にはほとんど得られなかった効果である。当業者によって理解されるように、ダイヤフラムのコンプライアンスとダンピング（減衰性能）とは、適用される流体の流動特性に応じて最大限に理想的なものを選択することができる。
アキュムレータチャンバー１６より非常に大きいボア２０が、アキュムレータチャンバー１６の後部すなわち前記円錐形ベースの後部の裏側に設けられている。このボア２０は、ダイヤフラム１８を受けることができるように形成されており、ダイヤフラム１８は、該ボア２０内で挟持されて密封されている。ボア２０の内側にある着座面２２は、ダイヤフラム１８が着座する当接面を構成している。密封用の溝２４が着座面２２に配置されている。溝２４は、本願発明の実施例における単一の密封の部分を提供している。ステンレススチールから形成される円筒形の密封用のプラグ２６が、封止用の隆起部２８を備えている。隆起部２８は、密封用の溝２４に密封可能に嵌合する。これにより、プラグ２６が着座面２２に係合して、ダイヤフラムがプラグ２６と着座面２２との間で挟持された状態になったとき、ダイヤフラムはボア２０内で密封状態を維持する状態となる。
密封用のプラグ２６は、ボア２０内にきちんと嵌合するが、ボア２０内で摺動できるように寸法決めされている。密封用のプラグ２６は、挟持用のプレート３０によって適所に保持されている。挟持用のプレート３０は、ねじ３２によってバルブマニホールド１０に機械的に取り付けられている。追加の取付孔３３が挟持用のプレート３０に設けられており、これにより、挟持用のプレート３０のバルブマニホールド１０への機械的な締め付け固定を容易に行うことができるようになっている。図示した実施例において、皿ばね３４またはワッシャのような弾性部材が、密封用のプラグ２６と挟持用のプレート３０との間に配置されており、これによって、ある程度の弾性が与えられるようになっている。
本願発明によるダイヤフラムは、液圧慣性を解消する。一方、ダイヤフラムは、周囲の空気に露出するダイヤフラムの表面積を限定することにより、露出して空気が入り込む可能性のあるバルブ内の流体容積を最小にする。アキュムレータ管の全体が露出し、そのアキュムレータ管を通る流体の容積部が、アキュムレータ管に入り込む可能性のある周囲の空気にさらされる従来技術と比較して、本願発明にかかわるダイヤフラムは、限定された態様で周囲の空気にさらされるのみである。大気ポート３６が、挟持用のプレート３０に設けられている。これにより、周囲の空気が、アキュムレータダイヤフラム１８の背後にくることができるようになっている。ダイヤフラムは、その意図した機能を果たすために、周囲の空気に露出する必要があるけれども、大気ポート内に露出した表面積を減少させることによって、ダイヤフラムを通る空気の通気性をかなり制限することができる。
上記で簡単に説明したように、混合すべき流入側の流体の流れは、リザーバから供給され、インレットポート１２でバルブマニホールド１０内に導入される。それぞれのリザーバからの流体は、それぞれのインレットポート１２内に流入し、その後、バルブマニホールド１０のそれぞれのインレット導管１４を通ってそれぞれのアキュムレータチャンバー容積部すなわちアキュムレータチャンバー１６内に流入する。
一体的に形成したそれぞれのアキュムレータチャンバー１６において、混合すべき流体は、コンプライアンス性を有するダイヤフラムに衝突する。それによって、チャンバー内の内部容積が、圧力変化がほとんどない状態で変化し、その結果、バルブは液庄慣性の影響を克服することができる。混合すべき流体は、チャンバーポート３８を通って、アキュムレータチャンバー１６から流出する。それによって、流体は、切り替え可能なバルブダイヤフラム４０で制御可能となる。バルブダイヤフラムは、当該技術で公知なように、スイッチされるバルブによって往復運動する。バルブダイヤフラムの制御されたスイッチング（切り替え操作）によって、バルブマニホールド１０内の共通ポート４２に供給されるそれぞれの流体の割合が決定される。それぞれの流体は、共通ポート４２でそれぞれの割合で混合され、アウトレットポート４４で利用可能となり、当該技術で公知なように下流側で処理される。
２つの流入側バルブのみを本願明細書の図示した実施例で説明したが、本願発明のコンセプトは、液状配合物を混合するための多数のインレットポートを有するバルブで実施可能となっていることは理解されるであろう。
本願明細書に説明されたダイヤフラムは、積層されたＦＥＰ−ＰＴＦＥ−ＦＥＰから形成されている。しかし、ダイヤフラムを構成するために、薄いステンレススチール、種々の複合材料、ゴムなどの他の材料を用いることも可能である。
図示した実施例における密封用のプラグは、ステンレススチールから形成された円筒形のプラグであるが、スポンジ材料、円筒形に形成された複合材料などのような、ダイヤフラムの背後に周囲圧力を導入することを許容する、別の密封用機構を用いることもできることが理解されよう。さらにまた、密封用のプラグを受けるボアに設けられた密封用溝に着座する密封用隆起部を、密封用のプラグに設けることによって、該密封用のプラグですき間のない密封を行うようにしたが、密封用の溝をプラグに設け、隆起部をボアの表面に設けるようにしてもよいことが理解されよう。
本願発明は、代表的な実施例によって説明したが、前記実施例の形態及び詳細において種々の他の変更、削除、及び追加を、本願発明の精神及び範囲を離れることなく実施することができる。
【図１】
0003947569.tif 000002
【図２】
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