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技術 流体クロマトグラフィ向け拡散接合平面装置における圧力検出および流量制御

出願人 ウオーターズ・テクノロジーズ・コーポレイシヨン
発明者 バーナード・バナージエフ・シー・ゲルハルトテオドール・エイ・ドウルドウビル
出願日 2015年5月26日 (5年7ヶ月経過) 出願番号 2015-106423
公開日 2015年9月24日 (5年3ヶ月経過) 公開番号 2015-166745
状態 特許登録済
技術分野 クロマトグラフィによる材料の調査、分析
主要キーワード 位置合わせ形状 半円形断面形状 共通センサ 再循環フロー 一流入口 機械的基板 ネジ締 ポンプ制御器
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重要な関連分野

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図面 (18)

課題

低流量での高圧流体クロマトグラフィ機器において、流量を制御する装置を提供する。

解決手段

流体クロマトグラフィシステムで使用するためのフロースルー圧力センサは、複数の金属シート拡散接合から形成される平面装置200と、少なくとも1つの検出素子205とを含む。平面装置は、上面、底面、およびフロースルーチャネル210を有する。上面または底面のうちの1つの一部分から形成されたダイヤフラムは、フロースルーチャネルの検出領域に隣接して位置し、検出素子に取り付けられている。ダイヤフラムは、検出領域の流体圧力に反応してある距離を偏位する大きさになっており、これは約25マイクロリットル未満の内部容積を有する。ダイヤフラムおよび取り付けられた検出素子は、検出領域内の圧力を計算するために、ダイヤフラムの歪みまたは偏位を測定する圧力センサを形成する。

概要

背景

分解能または情報の損失が実質的に最小化または回避されるように、クロマトグラフィ機器(たとえば、高性能液体クロマトグラフィ機器すなわちHPLC、超高性能液体クロマトグラフィ機器すなわちUPLC(TM)、または超臨界流体クロマトグラフィ機器すなわちSFC)において流量を制御することは、有利である。たとえば、液体クロマトグラフィの「傾斜モード」でのアナライト導入または「サンプル注入」の地点上流で、ポンプおよび対応する制御器によって溶媒組成プロファイルが生成されるが、これらの組成プロファイルは、経時変化および対応する容積変化を有する。クロマトグラフィの容積規模が減少するにつれて、傾斜プロファイルの容積規模も同様に減少する。このためナノスケールクロマトグラフィにおいて、全溶媒傾斜プロファイルは、わずか数マイクロリットル液体容積しか含まなくてもよい。この数マイクロリットル中に、少なくとも溶媒組成の定義済み線形ランプ、または場合により階段状の溶媒組成ステップが存在すると予想される。非常に忠実な、クロマトグラフィカラムに対するこの溶媒組成プロファイルの判定は、介在する流体路内部容積が、傾斜プロファイル特性の容積に対して小さく、非常にきれいに掃引されることを、必要とする。結果を改善するために、これらの液体システムにおいてあまり掃引されない、すなわち「死」容積の存在を回避することが、有利である。システム性能最大化するために、クロマトグラフィシステム全体の死容積の削減または排除が強調される。

機器を流れるフローを制御または監視するために、機器内で使用される(1つまたは複数の)流体ストリームと連通している1つ以上のセンサを含むことが、望ましい場合がある。たとえば圧力測定を実行しようとする大規模化学プロセスにおいて、通常は、市販のセンサを購入し、ネジ締コネクタを備える容易に入手可能な取り付けフランジを用いてセンサをシステム実装することが、直接的である。多くの大規模化学プロセスは、このような測定に関わる増分容積(しばしば数ミリリットル)の導入の影響をあまり受けない。導入された容積がプロセスストリームによって掃引される清浄度もまた、特に要求の厳しいものではない(たとえば、1分あたり数十または数百リットルプロセスフローが存在するシステムにおいて、1リットル以上のプロセスストリームの通過中に一旦掃引または交換される、数ミリリットルの内部容積を有する変換器が、完全に許容可能であろう)。

全溶媒傾斜プロファイルが、わずか数マイクロリットルの容積から最大数ミリリットルの容積までを網羅してもよい流体クロマトグラフィ機器において、このような変換器の実装は許容不可能であることは、容易に理解できる。

最大数十または数百メガパスカルまでの測定が可能な市販の圧力センサ(たとえば高圧システム)のほとんどは、大内部容積を含む。たとえば、最大200メガパスカル(MPa)までの測定が可能な、オメガエンジニアリング(Omega Engineering,Inc.)(米国コネチカットスタフォード)より販売されているPX01圧力変換器は、0.51ミリリットルの内部容積を有する。それぞれの移動相を供給する複数のポンプを含んでもよい、HPLC溶媒送達システムは、通常、逆相クロマトグラフィの場合は水と有機溶媒など、2つの液体の混合物を生成する。クロマトグラフィの傾斜モードにおいて、2つの液体は、プログラムされたプロファイルにそれぞれの流量が対応する、分離の過程にわたって異なる流量で、ポンピングされる。分離は4マイクロリットル/分の一定流量で実行され、その期間は5分であり、その時間にわたってクロマトグラフィカラムに送達されている移動相の組成が5%有機溶媒から90%有機溶媒まで線形に変化すると考えられると、仮定する。これは図1Aに模式的に示されており、ここでカラムの少し手前で測定された有機溶媒のパーセンテージが、時間に対してプロットされている(点鎖線100)。時間t=0において、ポンプ制御器は5%から90%有機溶媒組成への線形ランプを開始する命令を受信する。ポンプの内部容積のため、傾斜の実際の開始前に、一般的に遅延時間と称される、時間差110がある。この時間差は遅延容積に関しても発現する場合があり、これは単純に遅延時間と流量の積である。速度と性能のため、この遅延時間は理想的には可能な限り小さい方がよい。内部容積の大きいセンサがポンプとカラムとの間に位置している場合、遅延時間は、図1Aの点線150の大きい遅延時間125で模式的に示されるように、著しく増加する可能性がある。たとえば、内部容積が400マイクロリットルで流量が4マイクロリットル/分の場合、遅延時間は100分増加し、これはほとんどすべての状況において、特にわずか5分しかかからないと考えられる分離の場合、許容不可能である。このような分離において、遅延時間は理想的には1分未満であり、この例では4マイクロリットル未満の遅延容積を暗示している。

さらに、市販センサ内の流体容積は、あまり掃引されていないことが多い。たとえば、PX01圧力変換器は、流体アクセスポートを1つしか有していない。管またはチャネルに沿って流れる液体の混合物の圧力を測定するためにこれが使用されるとき、およびこの混合物の組成が経時的に変化するとき、管またはチャネルに沿って流れる液体は、センサ内に収容される液体とゆっくり混合することになり、これは混合物の組成を変化させることになる。これは、所定の組成に対する忠実さが非常に望まれる勾配クロマトグラフィにおいて、望ましくない。理想的には、図1Bで点鎖線170によって示されるように、組成の傾斜の線形ランプのコーナー175は鋭角である。内部容積が大きくこの内部容積があまり掃引されていないセンサがポンプとカラムとの間に配置されている場合、傾斜のプロファイルは非常に丸みを帯びたコーナー185を有する点線180により類似するだろう。

概要

低流量での高圧流体クロマトグラフィ機器において、流量を制御する装置を提供する。流体クロマトグラフィシステムで使用するためのフロースルー圧力センサは、複数の金属シート拡散接合から形成される平面装置200と、少なくとも1つの検出素子205とを含む。平面装置は、上面、底面、およびフロースルーチャネル210を有する。上面または底面のうちの1つの一部分から形成されたダイヤフラムは、フロースルーチャネルの検出領域に隣接して位置し、検出素子に取り付けられている。ダイヤフラムは、検出領域の流体圧力に反応してある距離を偏位する大きさになっており、これは約25マイクロリットル未満の内部容積を有する。ダイヤフラムおよび取り付けられた検出素子は、検出領域内の圧力を計算するために、ダイヤフラムの歪みまたは偏位を測定する圧力センサを形成する。

目的

本技術の1つ以上の態様の別の利点は、いくつかのセンサおよび可能であればその他の機能(たとえば、溶媒混合、溶媒予備加熱、サンプル注入、および/またはカラムの直接連結など)の単一装置上への集積、ならびにセンサおよび/または機能を、その機能を実行する個々のセンサおよび/または装置の内部容積よりもはるかに小さい、極小容積を有するチャネルで接続することである

効果

実績

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請求項1

少なくとも約40メガパスカルの圧力に耐えることができる、クロマトグラフ分離用のシステムで使用するためのフロースルー圧力センサであって、拡散接合によって取り付けられた複数の金属部品から形成され、上面、底面、および上面と底面との間に設けられた少なくとも1つのフロースルーチャネルを有する、平面装置と、平面装置の上面または底面のうちの少なくとも1つの一部分から形成されたダイヤフラム上に位置する検出素子であって、ダイヤフラムは少なくとも1つのフロースルーチャネルの第一検出領域の一面と境界を接しており、第一検出領域の流体圧力に反応してある距離を偏位させる大きさになっており、第一検出領域は約25マイクロリットル以下の内部容積を有する、検出素子とを含む、フロースルー圧力センサ。

請求項2

検出素子が、少なくとも1つのフロースルーチャネルの第一検出領域における流体圧力の計算で使用するためのダイヤフラムの機械的歪みを測定する、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項3

検出素子が、少なくとも1つのフロースルーチャネルの第一検出領域における流体圧力の計算で使用するためのダイヤフラムの偏位を測定する、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項4

内部容積が、約25マイクロリットルから5マイクロリットルの間である、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項5

内部容積が、約5マイクロリットルから0.5マイクロリットルの間である、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項6

ダイヤフラムを形成する部分が平面装置の上面からである、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項7

第二ダイヤフラム上に位置する第二検出素子をさらに含み、第二ダイヤフラムは平面装置の底面の一部分から形成され、上面から形成されたダイヤフラムに対向している、請求項6に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項8

第二検出素子をさらに含み、第二検出素子は平面装置の上面または底面のうちの少なくとも1つの第二部分から形成された第二ダイヤフラム上に位置しており、第二ダイヤフラムは、第二検出領域の一面と境界を接しており、第二検出領域の流体圧力に反応してある距離を偏位させる大きさになっており、第二検出領域は、約25マイクロリットル以下の内部容積を有する、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項9

少なくとも1つのフロースルーチャネルの第一および第二検出領域の間に位置する流量制限器をさらに含む、請求項8に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項10

第一および第二検出素子がいずれも上面または底面のいずれかに位置している、請求項8に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項11

第一ダイヤフラムが上面から形成され、第二ダイヤフラムは底面から形成されている、請求項8に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項12

第一および第二検出素子が実質的に同じ温度である、請求項8に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項13

複数の検出素子をさらに含み、複数のうちの各検出素子は平面装置の上面または底面のうちの少なくとも1つの個別部分から形成された個別のダイヤフラム上に位置しており、個別のダイヤフラムの各々は少なくとも1つのフロースルーチャネルの各個別の検出領域の一面と境界を接しており、個別の検出領域の各々は25マイクロリットル以下の内部容積を有しており、個別のダイヤフラムの各々は、少なくとも1つのフロースルーチャネルの対応する個別の検出領域の流体圧力に反応してある距離を偏位させる大きさになっている、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項14

複数の検出素子が実質的に同じ温度である、請求項13に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項15

複数の金属部品がクロマトグラフ分離で使用される流体移動相に適合する材料を含む、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項16

複数の金属部品の個々の金属部品がチタンまたはチタン合金を含む、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項17

複数の金属部品がステンレス鋼を含む、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項18

第一検出領域が実質的に状の断面形状によって定義されている、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項19

実質的に弓状の断面形状が円形である、請求項18に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項20

実質的に弓状の断面形状が楕円形である、請求項18に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項21

第一検出領域が、停滞または再循環フローの領域を誘発するコーナーのない断面形状によって定義されている、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項22

第一検出領域が、約25マイクロリットル未満まで内部容積を減少させる充填部材を含む、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項23

フロースルー圧力センサが液体クロマトグラフ分離を含むシステム内で使用され、フロースルー圧力センサは約50マイクロリットル/分未満の流量での動作に適している、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項24

フロースルー圧力センサが超臨界液体クロマトグラフ分離を含むシステム内で使用され、フロースルー圧力センサは約400マイクロリットル/分未満の流量での動作に適している、請求項1に記載のフロースルー圧力センサ。

請求項25

流量制御器であって、拡散接合によって取り付けられた複数の金属部品から形成され、上面、底面、および第一ポンプによって送達される第一溶媒のための第一流体流入口、第二ポンプによって送達される第二溶媒のための第二流体流入口、および流体処理システムへの流出口流体連通している流体通路を有する、平面装置と、流体ストリーム合流部分、第一流入口から流体ストリーム合流部分まで延在する第一部分、および第二流入口から流体ストリーム合流部分まで延在する第二部分を含み、第一流入口と流体ストリーム合流部分との間の第一流量制限器、および第二流入口と流体ストリーム合流部分との間の第二流量制限器も含む、流体通路と、第一流入口と第一制限器との間の流体通路に隣接して位置し、平面装置の上面または底面のいずれかの区画から形成された第一ダイヤフラムの上に設けられてこれに取り付けられている、第一検出素子であって、第一検出素子および取り付けられた第一ダイヤフラムは、第一部分の内部湿潤容積を実質的に増加させることなく第一部分の圧力を計算するために、第一ダイヤフラムの歪みまたは偏位を測定するための第一圧力センサを形成する、第一検出素子と、第二流入口と第二制限器との間の流体通路に隣接して位置し、平面装置の上面または底面のいずれかの区画から形成された第二ダイヤフラムの上に設けられてこれに取り付けられている、第二検出素子であって、第二検出素子および取り付けられた第二ダイヤフラムは、第二部分の内部湿潤容積を実質的に増加させることなく第二部分の圧力を計算するために、第二ダイヤフラムの歪みまたは偏位を測定するための第二圧力センサを形成する、第二検出素子と、流体ストリーム合流部分内の流体通路に隣接して位置し、平面装置の上面または底面のいずれかの第三区画から形成された第三ダイヤフラムの上に設けられてこれに取り付けられている、第三検出素子であって、第三検出素子および取り付けられた第三ダイヤフラムは、流体ストリーム合流部分の内部湿潤容積を実質的に増加させることなく流体ストリーム合流部分の圧力を計算するために、第三ダイヤフラムの歪みまたは偏位を測定するための第三圧力センサを形成する、第三検出素子と、流体ストリーム合流部分および第一部分の圧力の間の第一圧力差、ならびに流体ストリーム合流部分および第二部分の圧力の間の第二圧力差を計算し、第一圧力差から第一溶媒の流量および第二圧力差から第二溶媒の流量を計算し、第一ポンプを制御するために第一流量を、および第二ポンプを制御するために第二流量を使用する、制御器と、を含み、第一部分の内部湿潤容積が約25マイクロリットル未満である、流量制御器。

請求項26

第一溶媒が液体であり、第一溶媒の流量は約50マイクロリットル/分未満である、請求項25に記載の流量制御器。

請求項27

第二溶媒の流量が約50マイクロリットル/分未満である、請求項26に記載の流量制御器。

請求項28

第一溶媒が超臨界流体であり、第一溶媒の流量は約400マイクロリットル/分未満である、請求項25に記載の流量制御器。

請求項29

第二部分の内部湿潤容積が約25マイクロリットル未満である、請求項25に記載の流量制御器。

請求項30

流体混合部分の内部湿潤容積が約25マイクロリットル未満である、請求項29に記載の流量制御器。

請求項31

第一ダイヤフラムが、第一部分の流体圧力に反応して最大約20ミクロンまで偏位する、請求項25に記載の流量制御器。

請求項32

第一部分が実質的に弓状の断面形状によって定義されている、請求項25に記載の流量制御器。

請求項33

第一部分が、停滞または再循環の領域を誘発するコーナーのない断面形状によって定義されている、請求項25に記載の流量制御器。

請求項34

第二部分および流体ストリーム合流部分が断面形状によって各々定義されている、請求項33に記載の流量制御器。

請求項35

圧力センサを製造する方法であって、上面、底面、および上面と底面との間に設けられた少なくとも1つのチャネルを含む、実質的に平面の装置を形成するために、複数の金属部品を拡散接合するステップと、少なくとも1つのチャネルの一面と境界を接する位置で実質的に平面の装置の上面または底面のいずれかに検出素子を取り付けるステップであって、上面または底面は、その位置において、少なくとも1つのチャネルの流体圧力に反応して偏位する大きさになっているステップと、を含み、少なくとも1つのチャネルの少なくとも一部分が、25マイクロリットル以下の湿潤容積を有する大きさになっている、方法。

請求項36

少なくとも1つのチャネルを形成するために、拡散接合に先立って複数の金属部品のうちの1つ以上をパターン形成するステップをさらに含む、請求項35に記載の方法。

請求項37

パターン形成が、化学エッチング電解加工、およびミリング加工からなる群より選択される手法を含む、請求項36に記載の方法。

請求項38

25マイクロリットル以下の湿潤容積を実現するために、複数の金属部品のうちのパターン形成された1つ以上に形成された空洞内に充填部材が組み込まれる、請求項35に記載の方法。

請求項39

約5マイクロリットルから0.5マイクロリットルの間の湿潤容積を実現するために、複数の金属部品のうちのパターン形成された1つ以上に形成された空洞内に充填部材が組み込まれる、請求項35に記載の方法。

請求項40

パターン形成中に、実質的に弓状の断面を有するように少なくとも1つのチャネルが成形される、請求項36に記載の方法。

請求項41

複数の金属部品のうちの1つ以上が、少なくとも1つのチャネルの少なくとも一部分を形成する空洞を有するようにパターン形成され、空洞は、流体ストリームにおける停滞または再循環フローの領域を誘発するコーナーのない断面形状によって定義される、請求項36に記載の方法。

請求項42

少なくとも1つのチャネルの一面と境界を接する第二位置で平面装置の上面または底面のいずれかに第二検出素子を取り付けるステップをさらに含み、上面または底面は、第二位置において、少なくとも1つのチャネルの流体圧力に反応して偏位する大きさになっている、請求項35に記載の方法。

請求項43

検出素子および第二検出素子が上面に取り付けられる、請求項42に記載の方法。

請求項44

第一の位置で上面に検出素子を取り付けるステップと、第一の位置に対向する第二の位置で底面に第二検出素子を取り付けるステップと、をさらに含む、請求項35に記載の方法。

請求項45

上面または底面が、その位置において、少なくとも1つのチャネルの流体圧力に反応して、最大20ミクロンまで偏位する大きさになっている、請求項35に記載の方法。

技術分野

0001

本技術は、主に流体クロマトグラフィシステムで使用される装置に関し、より具体的には、低流量での高圧流体クロマトグラフィ機器に関する。

背景技術

0002

分解能または情報の損失が実質的に最小化または回避されるように、クロマトグラフィ機器(たとえば、高性能液体クロマトグラフィ機器すなわちHPLC、超高性能液体クロマトグラフィ機器すなわちUPLC(TM)、または超臨界流体クロマトグラフィ機器すなわちSFC)において流量を制御することは、有利である。たとえば、液体クロマトグラフィの「傾斜モード」でのアナライト導入または「サンプル注入」の地点上流で、ポンプおよび対応する制御器によって溶媒組成プロファイルが生成されるが、これらの組成プロファイルは、経時変化および対応する容積変化を有する。クロマトグラフィの容積規模が減少するにつれて、傾斜プロファイルの容積規模も同様に減少する。このためナノスケールクロマトグラフィにおいて、全溶媒傾斜プロファイルは、わずか数マイクロリットル液体容積しか含まなくてもよい。この数マイクロリットル中に、少なくとも溶媒組成の定義済み線形ランプ、または場合により階段状の溶媒組成ステップが存在すると予想される。非常に忠実な、クロマトグラフィカラムに対するこの溶媒組成プロファイルの判定は、介在する流体路内部容積が、傾斜プロファイル特性の容積に対して小さく、非常にきれいに掃引されることを、必要とする。結果を改善するために、これらの液体システムにおいてあまり掃引されない、すなわち「死」容積の存在を回避することが、有利である。システム性能最大化するために、クロマトグラフィシステム全体の死容積の削減または排除が強調される。

0003

機器を流れるフローを制御または監視するために、機器内で使用される(1つまたは複数の)流体ストリームと連通している1つ以上のセンサを含むことが、望ましい場合がある。たとえば圧力測定を実行しようとする大規模化学プロセスにおいて、通常は、市販のセンサを購入し、ネジ締コネクタを備える容易に入手可能な取り付けフランジを用いてセンサをシステム実装することが、直接的である。多くの大規模化学プロセスは、このような測定に関わる増分容積(しばしば数ミリリットル)の導入の影響をあまり受けない。導入された容積がプロセスストリームによって掃引される清浄度もまた、特に要求の厳しいものではない(たとえば、1分あたり数十または数百リットルプロセスフローが存在するシステムにおいて、1リットル以上のプロセスストリームの通過中に一旦掃引または交換される、数ミリリットルの内部容積を有する変換器が、完全に許容可能であろう)。

0004

全溶媒傾斜プロファイルが、わずか数マイクロリットルの容積から最大数ミリリットルの容積までを網羅してもよい流体クロマトグラフィ機器において、このような変換器の実装は許容不可能であることは、容易に理解できる。

0005

最大数十または数百メガパスカルまでの測定が可能な市販の圧力センサ(たとえば高圧システム)のほとんどは、大内部容積を含む。たとえば、最大200メガパスカル(MPa)までの測定が可能な、オメガエンジニアリング(Omega Engineering,Inc.)(米国コネチカットスタフォード)より販売されているPX01圧力変換器は、0.51ミリリットルの内部容積を有する。それぞれの移動相を供給する複数のポンプを含んでもよい、HPLC溶媒送達システムは、通常、逆相クロマトグラフィの場合は水と有機溶媒など、2つの液体の混合物を生成する。クロマトグラフィの傾斜モードにおいて、2つの液体は、プログラムされたプロファイルにそれぞれの流量が対応する、分離の過程にわたって異なる流量で、ポンピングされる。分離は4マイクロリットル/分の一定流量で実行され、その期間は5分であり、その時間にわたってクロマトグラフィカラムに送達されている移動相の組成が5%有機溶媒から90%有機溶媒まで線形に変化すると考えられると、仮定する。これは図1Aに模式的に示されており、ここでカラムの少し手前で測定された有機溶媒のパーセンテージが、時間に対してプロットされている(点鎖線100)。時間t=0において、ポンプ制御器は5%から90%有機溶媒組成への線形ランプを開始する命令を受信する。ポンプの内部容積のため、傾斜の実際の開始前に、一般的に遅延時間と称される、時間差110がある。この時間差は遅延容積に関しても発現する場合があり、これは単純に遅延時間と流量の積である。速度と性能のため、この遅延時間は理想的には可能な限り小さい方がよい。内部容積の大きいセンサがポンプとカラムとの間に位置している場合、遅延時間は、図1A点線150の大きい遅延時間125で模式的に示されるように、著しく増加する可能性がある。たとえば、内部容積が400マイクロリットルで流量が4マイクロリットル/分の場合、遅延時間は100分増加し、これはほとんどすべての状況において、特にわずか5分しかかからないと考えられる分離の場合、許容不可能である。このような分離において、遅延時間は理想的には1分未満であり、この例では4マイクロリットル未満の遅延容積を暗示している。

0006

さらに、市販センサ内の流体容積は、あまり掃引されていないことが多い。たとえば、PX01圧力変換器は、流体アクセスポートを1つしか有していない。管またはチャネルに沿って流れる液体の混合物の圧力を測定するためにこれが使用されるとき、およびこの混合物の組成が経時的に変化するとき、管またはチャネルに沿って流れる液体は、センサ内に収容される液体とゆっくり混合することになり、これは混合物の組成を変化させることになる。これは、所定の組成に対する忠実さが非常に望まれる勾配クロマトグラフィにおいて、望ましくない。理想的には、図1Bで点鎖線170によって示されるように、組成の傾斜の線形ランプのコーナー175は鋭角である。内部容積が大きくこの内部容積があまり掃引されていないセンサがポンプとカラムとの間に配置されている場合、傾斜のプロファイルは非常に丸みを帯びたコーナー185を有する点線180により類似するだろう。

先行技術

0007

米国特許第7,674,375号明細書

課題を解決するための手段

0008

一般的に、本技術の態様は、たとえば、装置の内部湿潤容積を著しく増加させず;あまり掃引されていないまたは死容積を組み込まず;あるいはフロー停滞または再循環の領域を組み込まないなど、フロースルー特性を低下させることなく流体クロマトグラフィシステムで使用される装置への1つ以上の圧力センサの組み込みを包含する。

0009

本技術において、拡散接合は、1つ以上のセンサが組み込まれることが可能な装置を形成するために使用される。拡散接合は、高圧(たとえば40MPa以上)に耐えられる漏れ防止密封シールを形成するその能力のため、流体クロマトグラフィ、特にHPLC、UPLC(TM)、またはSFCで使用するための以下の有利な特性を獲得できるようにする:1)100MPaまたは200MPaまでの高圧を測定でき、それより高い破裂圧力に耐えられる圧力センサを組み込む能力、2)25マイクロリットル未満、および好ましくは5マイクロリットル未満の小さい内部容積、3)内部容積の良好な掃引を保証するフロースルー設計、および4)移動相として使用される多くの異なる流体に適合するための、高い化学的不活性および耐腐食性

0010

一態様において、技術は、クロマトグラフ分離用のシステムで使用するためのフロースルー装置を特徴とする。フロースルー圧力センサは、少なくとも約40MPaの圧力に耐えることができる。フロースルー圧力センサは、平面装置および検出素子を含む。平面装置は、拡散接合によって取り付けられた複数の金属部品から形成される。平面装置は、上面、底面、および上面と底面との間に設けられた少なくとも1つのフロースルーチャネルを有する。検出素子は、平面装置の上面または底面のうちの少なくとも1つの一部分から形成されたダイヤフラム上に位置する。ダイヤフラムは、少なくとも1つのフロースルーチャネルの第一検出領域の一面と境界を接しており、第一検出領域の流体圧力に反応してある距離を偏位させる大きさになっている。第一検出領域は、約25マイクロリットル以下の内部容積を有する。

0011

技術のこの態様の実施形態は、以下の特徴のうちの1つ以上を含む。検出素子は、少なくとも1つのフロースルーチャネルの第一検出領域における計算流体圧力で使用するためのダイヤフラムの機械的歪み、またはいくつかの実施形態では偏位を、測定するようになっている。第一検出領域の内部容積は、25マイクロリットルから5マイクロリットルの間の値(たとえば、20マイクロリットル、15マイクロリットル、10マイクロリットル、5マイクロリットル)を有する。別の実施形態において、内部容積は、約5マイクロリットルから0.5マイクロリットルの間(たとえば、4マイクロリットル、3マイクロリットル、2マイクロリットル、1マイクロリットル、0.5マイクロリットル)である。

0012

この態様のいくつかの実施形態は、ダイヤフラムが平面装置の上面から形成されることを必要とする。加えて、いくつかの実施形態は、上面から形成されたダイヤフラムに対向する平面装置の底面の部分から形成された第二ダイヤフラム上に位置する第二検出素子も含む。

0013

本態様のいくつかの実施形態は、平面装置の上面または底面のうちの少なくとも1つの第二部分から形成された第二ダイヤフラム上に位置する第二検出素子を特徴とする。第二ダイヤフラムは、少なくとも1つのフロースルーチャネルの第二検出領域の一面と境界を接しており、第二検出領域の流体圧力に反応してある距離を偏位させる大きさになっている。第二検出領域は、第一検出領域と同様に、約25マイクロリットル未満の内部容積を有する。それぞれ第一および第二ダイヤフラム上に位置する第一および第二検出素子を含むいくつかの実施形態において、フロースルー圧力センサは、フロースルーチャネルの第一および第二検出領域の間に位置する流量制限器をさらに含むことができる。いくつかの実施形態において、第一および第二検出素子は、いずれも上面または底面のいずれかに(すなわち、平面装置の同じ側に)位置する。第一および第二検出素子は、実質的に同じ温度となることができる(すなわち、平面装置の材料および検出素子の位置は、熱伝導によって装置が実質的に同じ温度となるように選択される)。

0014

本態様のいくつかの実施形態は、複数の検出素子の組み込みを特徴とする。各検出素子は、平面装置の上面または底面のうちの少なくとも1つの個別部分から形成された自身の個別のダイヤフラム上に位置している。個別のダイヤフラムの各々は、少なくとも1つのフロースルーチャネルの各個別の検出領域の一面と境界を接している。検出領域の各々の内部容積は25マイクロリットル以下であり、ダイヤフラムの各々は、フロースルーチャネルの対応する個別の検出領域の流体圧力に反応してある距離を偏位させる大きさになっている。いくつかの実施形態において、複数の検出素子の各検出素子は、実質的に同じ温度である。

0015

本態様のいくつかの実施形態は、クロマトグラフ分離で使用される流体移動相に適合する材料で複数の金属部品を形成することを、特徴とする。実施形態において、複数のうちの個々の金属部品は、チタン(たとえば工業用純チタン)またはチタン合金(たとえば、およそ6%のアルミニウムおよび4%のバナジウムを有し、一般的にTi−6A1−4Vと称される、チタン合金)から形成される。いくつかの実施形態において、複数の金属部品は、AISI300シリーズまたは400シリーズ組成物由来してもよい、ステンレス鋼から形成される。

0016

本態様のいくつかの実施形態は、実質的に状の断面形状によって定義された検出領域を特徴とする。たとえば、第一検出領域は、部分的円形、円形、部分的楕円形、または楕円形であってもよい。いくつかの実施形態において、第一検出領域は、停滞または再循環フローの領域を誘発するコーナーのない断面形状によって、定義されている。

0017

本態様のいくつかの実施形態は、内部容積を約25マイクロリットル未満に減少させるために検出領域(たとえば、第一検出領域など)に設けられた、充填部材をさらに含む。たとえば、充填部材は、25マイクロリットルから5マイクロリットル以下(たとえば1マイクロリットル、0.5マイクロリットル)まで検出領域の内部容積を減少させることができる。

0018

本態様のいくつかの実施形態は、液体クロマトグラフ分離を含むシステム内の圧力センサの使用を含む。これらの実施形態において、フロースルー圧力センサは、約50マイクロリットル/分未満の流量での動作に適している。この態様の別の実施形態は、超臨界液体クロマトグラフ分離を含むシステム内の圧力センサの使用を含む。これらの実施形態において、フロースルー圧力センサは、約400マイクロリットル/分未満(たとえば300マイクロリットル/分)での動作に適している。

0019

本技術の別の態様は、流量制御器を特徴とする。流量制御器は、平面装置、流体通路、第一検出素子、第二検出素子、第三検出素子、および制御器を含む。平面装置は、拡散接合によって取り付けられた複数の金属部品から形成される。平面装置は、上面および底面を有する。流体通路は、平面装置内に定義されており、第一ポンプによって送達される第一溶媒のための第一流体流入口、第二ポンプによって送達される第二溶媒のための第二流体流入口、および流体処理システム(たとえば、クロマトグラフィシステム)への流出口と、流体連通している。流体通路は、流体ストリーム合流部分、第一流入口から流体ストリーム合流部分まで延在している第一部分、および第二流入口から流体ストリーム合流部分まで延在している第二部分を含む。流体通路はまた、第一流入口と流体ストリーム合流部分との間に位置する第一流量制限器、および第二流入口と流体ストリーム合流部分との間に位置する第二流量制限器も含む。流量制御器の第一検出素子は、第一流入口と第一制限器との間の流体通路に隣接して位置している。第一検出素子は、平面装置の上面または底面のいずれかの区画から形成された第一ダイヤフラムの上に設けられ、これに取り付けられている。第一検出素子および取り付けられた第一ダイヤフラムは、第一部分の内部湿潤容積を実質的に増加させることなく第一部分の圧力を計算するために、第一ダイヤフラムの歪みまたは偏位を測定するための、第一圧力センサを形成する。流量制御器の第二検出素子は、第二流入口と第二制限器との間の流体通路に隣接して位置している。第二検出素子は、平面装置の上面または底面のいずれかの区画から形成された第二ダイヤフラムの上に設けられ、これに取り付けられている。第二検出素子および取り付けられた第二ダイヤフラムは、第二部分の内部湿潤容積を実質的に増加させることなく第二部分の圧力を計算するために、第二ダイヤフラムの歪みまたは偏位を測定するための、第二圧力センサを形成する。流量制御器の第三検出素子は、流体ストリーム合流部分内の流体通路に隣接して位置している。第三検出素子は、平面装置の上面または底面のいずれかの第三区画から形成された第三ダイヤフラムの上に設けられ、これに取り付けられている。第三検出素子および取り付けられた第三ダイヤフラムは、流体ストリーム合流部分の内部湿潤容積を実質的に増加させることなく流体ストリーム合流部分の圧力を計算するために、第三ダイヤフラムの歪みまたは偏位を測定するための、第三圧力センサを形成する。制御器は、流体ストリーム合流部分および第一部分の圧力の間の第一圧力差、ならびに流体ストリーム合流部分および第二部分の圧力の間の第二圧力差を、計算する。制御器はまた、第一圧力差から第一溶媒の流量および第二圧力差から第二溶媒の流量も計算し、第一ポンプを制御するために第一流量を、および第二ポンプを制御するために第二流量を使用する。

0020

技術のこの態様の実施形態は、以下の特徴のうちの1つ以上を含む。いくつかの実施形態において、第一溶媒は液体であり、第一溶媒の流量は約50マイクロリットル/分未満である。加えて、第二溶媒の流量もまた約50マイクロリットル/分未満とすることができる。いくつかの実施形態において、第一溶媒は超臨界流体であり、第一溶媒の流量は約400マイクロリットル/分未満である。さらに、いくつかの実施形態において、第一部分の内部湿潤容積は、約25マイクロリットル未満である。さらに、第二部分の内部湿潤容積は、約25マイクロリットル未満である。そしてさらにまた、流体混合部分の内部湿潤容積は、約25マイクロリットル未満である。

0021

本態様のいくつかの実施形態は、ダイヤフラムの偏位機能をさらに定義する。たとえば、第一ダイヤフラムは、第一部分の流体圧力に反応して最大約20ミクロンまで偏位するように設計されることが可能である。取り付けられた検出素子の歪みまたは偏位測定の分解能ならびに精度を向上させるために、偏位量を最大化することが有利である。

0022

技術のこの態様のいくつかの実施形態は、実質的に弓状の断面形状を有する、流体通路またはその部分(たとえば、第一部分、第二部分、または流体ストリーム合流部分)を特徴とする。いくつかの実施形態において、流体通路またはその部分(たとえば、第一部分、第二部分、または流体ストリーム合流部分)は、停滞または再循環の領域を誘発するコーナーのない断面形状を有する。

0023

技術の別の態様は、圧力センサを製造する方法を特徴とする。方法は:上面、底面、および上面と底面との間に設けられた少なくとも1つのチャネルを含む、実質的に平面の装置を形成するために、複数の金属部品を拡散接合するステップと;少なくとも1つのチャネルの一面と境界を接する位置で実質的に平面の装置の上面または底面のいずれかに検出素子を取り付けるステップと、を含む。上面または底面は、取り付け位置において、少なくとも1つのチャネルの流体圧力に反応して偏位する大きさになっている。

0024

技術のこの態様のいくつかの実施形態は、以下の特徴のうちの1つ以上を含む。方法は、少なくとも1つのチャネルを形成するために、拡散接合に先立って、複数の金属部品のうちの1つ以上をパターン形成するステップを、さらに含むことができる。パターン形成は、以下の技術のうちの1つ以上を含んでもよい:化学エッチング電解加工放電加工(EDM)、電子ビーム切断、および/または機械的ミリング加工。

0025

いくつかの実施形態において、少なくとも1つのチャネルの一部分は、25マイクロリットル以下(たとえば5マイクロリットル、0.5マイクロリットル)の湿潤容積を有する大きさになっている。いくつかの実施形態において、25マイクロリットル以下(たとえば15マイクロリットル、5マイクロリットル、1マイクロリットル、0.5マイクロリットル)の湿潤容積を実現するために、複数の金属部品のうちのパターン形成された1つ以上に形成された空洞内に、充填部材が組み込まれる。

0026

本態様のいくつかの実施形態は、実質的に弓状の断面形状を有するように少なくとも1つのチャネル(または少なくともその領域または部分)を成形するステップを、特徴とする。成形は、1つ以上の金属部品のパターン形成の間に行われることが可能である。金属部品のうちの1つ以上がチャネルの少なくとも一部分を形成する空洞を形成するようにパターン形成されるいくつかの実施形態において、空洞は、流体ストリームにおける停滞または再循環フローの領域を誘発するコーナーのない断面形状によって、定義される。

0027

技術のこの態様のいくつかの実施形態は、少なくとも1つのチャネルの一面と境界を接する第二位置で平面装置の上面または底面のいずれかに第二検出素子を取り付けるステップを、さらに含む。上面または底面は、この第二位置において、少なくとも1つのチャネルの流体圧力に反応して偏位する大きさになっている。いくつかの実施形態において、検出素子および第二検出素子の両方が、上面に取り付けられる。いくつかの実施形態において、第一検出素子は第一の位置で上面に取り付けられ、第二検出素子は第一の位置に対向する第二の位置で底面に取り付けられる。

0028

技術のこの態様のいくつかの実施形態は、流体圧力に反応する上面または底面の偏位機能をさらに定義する。たとえば、上面の一部分は、流体圧力に反応して最大約20ミクロンまで偏位するように設計されることが可能である。より大きい偏位は、取り付けられた検出素子の歪みまたは偏位測定の分解能および精度を向上させる。

0029

特にUPLC(TM)における、最新微粒子クロマトグラフ分離に関わる高い内部圧力に耐えられる装置を経済的に製造する能力を含むがこれに限定されない技術の上記の態様には、多くの利点がある。本技術の1つ以上の態様の別の利点は、いくつかのセンサおよび可能であればその他の機能(たとえば、溶媒混合、溶媒予備加熱、サンプル注入、および/またはカラムの直接連結など)の単一装置上への集積、ならびにセンサおよび/または機能を、その機能を実行する個々のセンサおよび/または装置の内部容積よりもはるかに小さい、極小容積を有するチャネルで接続することである。その結果、個別の装置を互いに接続するときに通常使用される管材および継手は排除され、それによってこれらの管材および継手に関わる余分な容積を回避する。別の利点は、内部空洞の適切な掃引を提供するために鋭角コーナーが回避されるような方式で、流体通路をパターン形成する能力である。本技術の1つ以上の態様のさらなる利点は、流体フローに事実上干渉のない状態で流体の圧力および流量を測定する能力を含む。さらなる利点は、センサが同じ金属基板上に配置され得るように熱伝導を通じて受動的に、あるいは加熱器または温度センサの使用を通じて能動的に、2つ以上の検出素子または圧力センサの等しいまたは実質的に等しい温度を実現する能力である。

0030

上記の技術の利点は、さらなる利点とともに、添付図面と併せて以下の記載を参照することによって、より良く理解されるだろう。図面は必ずしも縮尺通りとは限らない;一般的には、むしろ技術の原理を説明することに重点が置かれている。

図面の簡単な説明

0031

遅延期間概念を説明する、HPLC分離における有機組成物対時間のグラフである。
内部湿潤容積および掃引特性の向上が分離結果に対してどのように影響するかを説明する、HPLC分離における有機組成物対時間の別のグラフである。
本技術の一実施形態による圧力センサの模式的上面図である。
図2の圧力センサの一部分の拡大模式的上面図である。
線A−Aに沿った図3の圧力センサの一部分の拡大断面図である。
圧力センサの別の実施形態の一部分の拡大断面図である。
圧力センサの別の実施形態の一部分の拡大断面図である。
圧力センサの別の実施形態の一部分の拡大断面図である。
圧力センサの別の実施形態の一部分の拡大断面図である。
圧力センサの別の実施形態の一部分の拡大断面図である。
圧力センサの別の実施形態の一部分の拡大断面図である。
高圧環境に耐えることができ、流量制限器によって分離された2つの圧力センサを含む、流量監視装置の模式的上面図である。
線B−Bに沿った図6の流量監視装置の模式的断面図である。
流量監視装置の別の実施形態の模式的断面図である。
3つの圧力センサを含む流量制御器の模式的上面図である。流量制御器は、クロマトグラフィシステム内の溶媒送達ポンプからの流体を制御するために使用されることが可能である。
溶媒送達ポンプからの流体フローを制御するために使用される制御システムのフローチャートである。
4つの圧力センサを含む流量制御器の模式的上面図である。流量制御器は、クロマトグラフィシステム内の溶媒送達ポンプからの流体フローを制御するために使用されることが可能である。

実施例

0032

本技術は、マイクロ流体またはナノ流体基板への1つ以上の圧力センサの集積を対象とする。いくつかの実施形態において、集積された圧力センサを備える装置は、液体クロマトグラフィ機器を含むシステム内で使用され、約50マイクロリットル/分未満の流量での動作に適している。別の実施形態において、集積された圧力センサを備える装置は、超臨界流体クロマトグラフィ機器を含むシステム内で使用され、約400マイクロリットル/分未満の流量での動作に適している。基板は、拡散接合され、特定の実施形態ではチタンベースおよび/または鉄ベースの材料を含む、平面装置である。その構造のため、集積された圧力センサを備える基板は、小さいマイクロ流体/ナノ流体チャネル内の流体圧力を測定しながら、高圧(たとえば、40MPa、50MPa、60MPa、70MPa、80MPa、90MPa、100MPa、またはそれ以上)に耐えることができる。特定の実施形態において、圧力センサは、約25マイクロリットル以下の湿潤内部容積を有する流体検出領域内の流体圧力を測定する。特定の実施形態において、流体検出領域は、約5マイクロリットル以下の湿潤内部容積を有する。一般的に、本明細書に記載される装置および方法は、きれいに掃引される流体フロー特性を提供する。加えて、マイクロ流体/ナノ流体基板への圧力センサの集積のため、本明細書に記載される装置および方法は、装置を流れるフローの湿潤内部容積を実質的に増加させない。

0033

拡散接合は、金属部品をつなぎ合わせるために、真空、力、および温度の組み合わせを必要とする。「拡散接合」という用語は、異なる金属同士、または金属とセラミックとの接合時々適用され、ここで接合は通常、表面粗さの変形、および部品間の密接な機械的接触の形成によると考えられる。しかしながら、これらの場合、接合の強度は構成金属のものよりも大きく劣る可能性がある。「拡散接合」という用語はまた、薄箔または電気めっき層の形態の中間層が接合の形成を支援する状況にも、適用されることがある。

0034

本技術において、「拡散接合」とは、金属様のものと金属様のもの、たとえば純チタンと純チタン、または純チタンとチタン合金、またはステンレス鋼とステンレス鋼(たとえば、304ステンレス鋼と304ステンレス鋼または316ステンレス鋼と304ステンレス鋼)の接合を指す。

0035

この接合手法の魅力は、接合を実現するために必要とされる最高温度が金属の溶融温度よりも実質的に低いことである;これにより、接合される部品の変形量を望ましく制限することができる。たとえば、チタンに関しては、1600℃を超える溶融温度と比較して、拡散接合は850℃未満の温度で実行可能である。

0036

チタンおよびチタン合金は、バルチタン中酸化チタンの溶解度が高いため、拡散接合に特によく適しているが、その一方で、ステンレス鋼などのその他の金属の拡散接合は、通常はその表面酸化物層を除去することが難しいため、一般的にはより困難である。

0037

加えて、Ti−6A1−4Vは、その高強度、高弾性、および高耐疲労性のため、ダイヤフラムの作成またはたわみに関して優れた機械的特性を有している。これらの特性は、その他の金属が使用される場合と比較して、より大きい偏位およびより多くの破損前サイクル数の両方を有するように、ダイヤフラムを設計できるようにする。

0038

チタン、たとえばTi−6A1−4Vなどのチタン合金、およびたとえば304または316ステンレス鋼などの特定の300シリーズステンレス鋼もまた、非常に不活性であって、クロマトグラフィで使用される(1つまたは複数の)流体移動相と適合するので、魅力的な材料である。その結果、平面装置の湿潤表面と流体移動相との間の化学的相互作用が最小化される。

0039

拡散接合されたマイクロ流体コンポーネントは、いくつかの理由により、流体クロマトグラフィ用途において特に魅力的である:1)いくつかの流体クロマトグラフィ機器にとって望ましい、40MPaもしくは100MPaさえ超える、超高圧に耐えられる流体密封構造、2)湿潤表面が化学的に均一となるように何らかの別のマイクロ流体装置と比較して、ろう付けで使用される充填材料などの、中間層の欠落、3)小さい占有面積に収容される長尺の折り畳みチャネル、または極端に小さい死容積で接続される多数のチャネルなどの複雑な平面構造を実現するための設計自由度、4)単一の平面基板上にいくつかの検出素子を取り付け、結果的にコンポーネントおよび流体接続の数を削減し、ひいては死容積および漏れの潜在的な原因を低減する能力、および5)測定すべき流量または圧力に応じて検出素子が取り付けられる流体通路および機械的基板の設計を最適化する能力。

0040

非限定例により、多くの実施形態が以下に記載される。これらの例が、技術のすべての実施形態をいずれか特定の特徴の組み合わせに限定するよう、またはいずれか特定の特徴を必要とするように意図されるものではないことを、当業者は認識するだろう。

0041

例1−この実施形態は、図2図3、および図4Aに示されるように、流体接続および圧力測定を可能にする平面装置を含む。具体的には、図2は本技術の一実施形態による圧力センサの模式的上面図である。拡散接合によって作成された平面装置200は、流入口バイア201および流出口バイア204を接続する内部フロースルーチャネル202を収容する。その一部分がダイヤフラムと称される、平面装置の最上層は、流体圧力に反応して偏位する。偏位量は圧力に比例する。検出素子P205は、ダイヤフラムの歪みまたは偏位を測定し、そのため流体圧力の推定値を提供する。検出素子P205は、歪み計静電容量センサ、または光学センサのいずれかであってもよい。歪み計検出素子は、ダイヤフラムの歪みを測定し、米国ペンシルベニアマルヴァーンのVishay Micro−Measurementsによって製造されるものなどの接着金属箔歪み計、または接着半導体歪み計、または平面装置上に直接設けられる薄膜歪み計のいずれかであってもよい。静電容量センサは、ダイヤフラムの偏位を測定し、機械的研削および加工によって製造されてダイヤフラムに接着される静電容量センサ、または平面装置上に直接も受けられる薄膜容量センサのいずれかであってもよい。光学センサは、ダイヤフラムの偏位を測定し、レーザ干渉変位センサであってもよい。ダイヤフラムの機械的歪みまたは偏位を測定することができるその他の検出素子が使用されることも、可能である。変形例のうちのいくつかは、拡散接合によって作成された平面装置上に非常に容易に集積されるが、しかしそうでなければ異なるアーキテクチャ上に集積するにははるかに難しい。たとえば、金属箔歪み計は、平面装置の表面の一部分に形成されたダイヤフラムに接着されることが可能であるものの、非平面装置に同じ金属箔歪み計を組み込むには、内部で流体が迂回される、過剰な管材または接続継手の導入を要するかも知れない。この過剰な管材または接続継手は湿潤内部容積を増加させ、その結果として、図1Bに示されるようにクロマトグラフ分離結果を低下させる。

0042

図3は、検出素子205の周囲の領域の、図2に示される圧力センサの一部分の上面図である。フロースルーチャネル202の幅は、検出素子(たとえば歪み計)205の下の狭領域210において増加する。狭領域210は、空洞またはチャンバに圧力が印加されたときに検出素子205によって偏位が測定されるダイヤフラムの下に、空洞またはチャンバを定義する。空洞210は、図3に示されるように、おおむね長方形の形状を有することができるが、しかしその形状は円形、部分的円形、楕円形、または部分的楕円形であってもよいことは、理解される。空洞210は好ましくは、停滞または再循環フローの領域を誘発する鋭角コーナーを回避するように設計される。たとえば、丸みを帯びたコーナー211は、空洞210を通る滑らかな流れ、および空洞210の適切な掃引を生じる。穴215などの位置合わせ形状は、場合により、組み立て中に検出素子205および空洞210を位置合わせするために使用される。

0043

図4Aは、図3に示される線A−Aに沿った断面における、本技術による装置の一実施形態の図である。加えて、あと5つの可能性のある実施形態が、図4Bから図4Fに示されている。

0044

図4Aを参照すると、平面装置は、3つの層212(上面)、214、および316(底面)で作られた200である。フロースルーチャネル210は、たとえば放電加工(EDM)または両面化学エッチングで作られた、層212および216の間に挟まれた層214の、長方形または略長方形断面を有する。チャネル210内の圧力は、検出素子205の下の領域の、ダイヤフラムとも称される層212の一部分の、上方偏位を生じる。ダイヤフラムは、フロースルーチャネル210の検出領域の一面と境界を接する。この例において、検出素子は、接合層または接着剤206を用いてダイヤフラム(すなわち、最上層212の部分)に取り付けられた、歪み計である。チャネル210の幅、ダイヤフラムの厚み、およびダイヤフラムの材料特性は、特定の流体圧力を前提として、この偏位の量を決定する。最初の2つのパラメータは、最上層212の機械降伏または疲労破損を同時に防止しながら、歪み計に適合する最大偏位量または歪みを達成するために調整された、設計パラメータである。好ましくは、最下層216は、その変形が最上層の変形よりもはるかに小さくなるように、最上層212の一部分(すなわちダイヤフラム)よりも厚くなっている。層212、214、および216が、各々1つ以上の物理的な金属箔またはシートからなってもよいことは、理解される。

0045

図4Bを参照すると、平面装置200は、最上層212および最下層216の2つの層で作られている。図4Aに示される実施形態と同様に、最上層212の一部分は、検出素子205によって測定される歪み量を決定する。フロースルーチャネル210は最下層216をパターン形成することによって形成される。たとえば、最下層216は、丸みを帯びた形状(たとえば、半円形断面形状)を有するように、マスクを通じて化学エッチングまたは電解加工(「電解エッチング」または「電気化学微細加工」とも称されることがある)のいずれかを用いて、部分的にエッチングされることが可能である。

0046

図4Cにおいて、内部チャネル210を通るフローは、相当な歪みが形成される程度にチャネル210と上面212との間に残る材料の厚みが十分に薄くなるように、最上層212内に定義される。このバージョンは、最大量の歪みを経験する最上層212の領域(すなわちダイヤフラム)が、機械的応力の集中を引き起こして、割れの開始および経時的な破損を招く可能性のある、鋭角コーナーを有していないという利点を、表している。好ましくは、最下層216が、その変形が最上層の変形よりはるかに小さくなるように、最上層212(すなわちダイヤフラム)の一部分より厚くなる。

0047

図4Dにおいて、フロースルーチャネル210は、電解加工、および実質的に弓状の断面形状を形成する丸みを帯びたコーナーを備える長方形の形状を有する工具を用いて、複製によって形成される。工具を層212内に押し込むことによって、正確に制御された厚みを備えるたわみ膜220(すなわちダイヤフラム)が形成される。図4Cに示される実施形態と同様に、丸みを帯びたコーナーは、たわみの縁における応力集中を最小化する。

0048

図4Cおよび図4Dに示される実施形態を形成するために提供されるような電解加工の使用のさらなる利点は、25ナノメートル以下の表面粗さを有する、平滑な表面の実現である。これは、応力集中の箇所ならびに割れおよび疲労破損の開始部位を構成する表面粗さの存在を、最小化する。

0049

図4Cおよび図4Dに示される実施形態は、場合により、丸みを帯びたコーナーを形成することができるボールエンドミルを用いるミリング加工によっても、製造されることが可能である。この場合、表面粗さを排除してより平滑な表面を実現するために、製造後に電解研磨が実行され、こうして再び割れおよび疲労破損の危険性を低減してもよいだろう。加えて、図4Cおよび図4Dに示される実施形態は、停滞または再循環フローの領域を誘発する可能性のあるコーナーのない断面形状を有する。

0050

いくつかの例において、ダイヤフラムでさらに大きい偏位および歪みを実現することが可能なように、コーナーの機械的応力がバージョンAおよびBの直線的なコーナーよりも低いので、図4Cおよび図4Dに示される実施形態は、図4Aおよび図4Bに示される実施形態よりも好ましい。

0051

図4Eおよび図4Fは、対称構造、ならびに上面および底面の両方に位置する2つの検出素子205Aおよび205Bを備える装置の実施形態を示す。図4Eに示される実施形態において、平面装置200は、図4Aに示される装置と同様に、3つの層(212、214、および216)で作られているが、しかし最下層216は、流体チャネル210の対向する辺のダイヤフラム上に位置する2つの検出素子205Aおよび205Bによって測定される、同じ偏位量を両方の層が経験するように、フローチャネルに隣接する領域(すなわち、フロースルーチャネル210の検出領域)において最上層212と同じ厚みを有している。これは、圧力センサによって生成される信号を効果的に倍増させる。図4Fに示される実施形態において、装置は2つの層212および216で作られており、これらは実質的に同一であって、丸みを帯びた半楕円形チャネルを有しており、これらは互いに拡散接合されたときに楕円形のフロースルーチャネル210を形成する。

0052

検出素子(たとえば歪み計)の良好な信号および精度を実現するためには、ダイヤフラムの著しい偏位が必要である。これは、ダイヤフラムの下方のチャンバまたは空洞の固有のサイズ(たとえば、長方形チャンバの幅、円形チャンバの直径)が数ミリメートルであることを要する。図4Dおよび図4Eに示されるように、ダイヤフラムのコーナーの応力の減少に加えて、大きいコーナー半径が選択された場合、チャンバの内部容積は、数十マイクロリットルになり得る。いくつかの用途において、流量が1分あたり数マイクロリットルしかなく、分離が数分間しか維持されないように意図されているとき、これは大きすぎる。図5に示されるように、内部容積は、充填部材と最上層503との間に小さい空隙502のみを、したがって小さい内部容積を残して、チャンバ500内部に、「充填」部品または部材501の追加によって縮小されることが可能である。これにより、5マイクロリットル以下(たとえば、4マイクロリットル、3マイクロリットル、2マイクロリットル、1マイクロリットル、0.5マイクロリットル、0.1マイクロリットル)の内部容積を実現可能にする。たとえば、内部容積が5マイクロリットルであって流量が5マイクロリットル/分である場合、センサによって誘発される遅延容積はわずか1分である。

0053

例2−図6に示されるこの実施形態は、流量制限器605の2つの対向する末端に位置する2つの検出素子P1 602およびP2 604によって読み取られる圧力の間の差を測定することによって、チャネル601を含むフロースルー装置600における流量測定を実行する。流体は、流量制限605を通じてP1からP2まで流れる。流量制限器605は、正確に測定されることが可能なほど十分に大きく、同時にクロマトグラフの別の部品、特にカラムにおいて発生する背圧を圧倒するほど十分に大きくない圧力差(ΔP=P1−P2)を生じるように、設計されている。これを実現するために、随意的に、P1とP2との間のチャネルの区画は、チャネルの残部よりも小さい断面または液力直径、あるいは図6に示される折り畳みチャネルなどのチャネルの長区画、あるいはその両方を有する。

0054

たとえば、流量が1ナノリットル/分から100マイクロリットル/分の範囲である、ナノスケールクロマトグラフィの用途では、直径25ミクロンの10センチ長チャネルは、30℃の水が5マイクロリットル/分の流量で約0.7MPaの圧力差を生じる。制限器605によって示されるように、折り畳みチャネルを用いて、限られた占有面積の平面装置内に10センチ長チャネルを実現することが、好ましい。

0055

圧力P1およびP2の測定および流量制限器605を流れる流体の粘度の知識は、流量の測定値Q=ΔP/Rを提供し、ここでRは流量制限器の流体抵抗であり、これは粘度に比例する。

0056

装置600は好ましくは、検出素子(たとえば、一実施形態において、歪み計)の温度および熱ドリフトに伴う流体粘度の変動が流体抵抗測定を乱さないように、一定の温度に維持される。流入する流体が異なる温度である場合、P1 602およびP2 604の間の流体の温度変化を防止するために、随意的にこの流体を予備加熱する必要がある。これは、流体が装置との熱平衡に到達する時間を有するように、P1 602の上流のチャネルを十分に長くすることによって、平面装置600自体の上で実現されることが可能である。これらの予防措置が取られていれば、この圧力差センサは随意的に単一点において校正される。

0057

本技術の方法によって作られた平面装置600はまた、P1 602とP2 604との間の熱調整を実現するのにも役立つ。たとえば、線B−Bに沿った断面図である図7Aに示されるように、P1 602およびP2 604はいずれも同じ最上層610上に位置している。その結果、最上層610および最下層615を形成する金属材料熱伝導特性により、検出素子P1 602およびP2 604は、能動的な制御を提供することなく、実質的に同じ温度に維持されることが可能である。これは、2つの検出素子が、異なる温度を有するであろう異なる基板上に位置している場合に生じるであろういかなる差分ドリフトも最小化するのに役立つ。温度維持の最適化は、高い熱伝導率を有する材料の選択、および検出素子の間の距離の最小化によって、実現されることが可能である。

0058

検出素子P1 602およびP2 604の間の能動的温度維持は、本技術による平面装置に組み込まれることも可能である。たとえば、図7Bに示されるように、検出素子P1 602は最上層610上に位置しており、その一方で検出素子P2 604は最下層615上に位置している。最上層610および最下層615は、装置を形成するための層(610、615、620)の拡散接合によって互いに熱連通しているものの、計器P1 602およびP2 604のさらなる温度制御は加熱器625によって提供され、これは温度センサ626とともに平面装置の上面または底面のいずれかに取り付けられている。加熱器625および温度センサ626がいずれも同じ側に(すなわち、いずれも上面610上またはいずれも底面620上に)配置され得ることは、特すべきである。

0059

圧力検出または流量検出を組み込んだ装置の温度制御は、流体クロマトグラフィ機器の性能を強化する。これは、平面装置自体への温度センサおよび加熱器の集積によって、あるいは温度制御チャンバ内への装置の封入によって、本技術の装置およびシステムにおいて実現されることが可能である。歪み計および温度センサによって生成された信号の信号増幅および処理のための電子回路は、平面装置上に集積されてもよく、あるいはこれとは分離されてもよい。平面装置への電子接続は、上述の流体接続と一体化されることが可能である。

0060

例3−図8は、拡散接合平面装置における流量測定および制御方法を提供し、所定の組成を有する2つの溶媒の混合物の生成に役立つ実施形態を、示す。これらの実施形態は、米国特許第7,674,375号明細書(参照により本願に組み込まれる、「低流量動作を可能にするHPLC定流量ポンプ閉ループ流量制御」(Closed loop flow control of a HPLC constant flow pump to enable low−flow operation))に記載される方法を実行するために、随意的に使用される。

0061

装置800は、上記のものと似ているが、2つの流体フローストリームに共通の1つの圧力センサを用いる、2つの圧力差測定を使用する。一方の側でP1とP3との間、および流体抵抗を挟んだ反対側でP2とP3との間で測定された圧力の差は、それぞれ溶媒AおよびBの流量を決定する。

0062

具体的には、装置800は、第一ポンプからの溶媒Aのための流入口801、および第二ポンプからの溶媒Bのための流入口802を含む。装置800はまた、クロマトグラフィシステムへの単一の流出口803も含む。装置800は、いくつかの金属部品を互いに拡散接合することで形成された平面装置である。装置800内には、溶媒Aおよび溶媒Bのための2つのポンプからクロマトグラフまたはその他の流体処理システムへの流体回路を完成するために流体連通しているいくつかの部分を含む、流体通路がある。具体的には、流体通路は、流体ストリームAのための第一部分804、流体ストリームBのための第二部分805、および流体ストリーム合流部分806を含む。上述のように平面装置内に形成されたダイヤフラム上には、圧力センサP1 807、P2 808、およびP3 809を形成する検出素子が設けられている。つまり、検出素子(たとえば一実施形態において歪み計)およびダイヤフラムから形成される1つの圧力センサが、第一部分804、第二部分805、および流体合流部分806の各々に沿って位置している。また、流体通路に沿って、流体合流部分806と、第一および第二部分804、805の各々との間にそれぞれ流体抵抗を生じさせる2つの制限器810が設けられている。

0063

装置800は、装置800に溶媒AおよびBを送達するポンプからの流量を制御するための制御器も含む。制御器(図示せず)は、溶媒AおよびBの各々の流量を計算するために、P3 809とP1 807との間の第一圧力差、およびP3 809とP2 808との間の第二圧力差を計算する。制御器はその後、流入口801および802を通る流体フローを制御するために各溶媒ストリームのためのポンプを制御するため、この流量情報を使用する。

0064

図9は、流量制御において採用される方法の実施形態のフローチャートである。溶媒Aは、圧力センサP1、流量制限器R1、および圧力センサP3を通じてリザーバからポンピングされる。P3およびP1によって測定された圧力の差は、ポンプAによって送達される溶媒Aの流量を計算するため、およびポンプAを制御するために、制御器によって使用される。同様に、溶媒Bも、圧力センサP2、流量制限器R2、および圧力センサP3を通じてリザーバからポンピングされ、P3とP2との差は、溶媒Bの流量を計算してポンプBを制御するために制御器によって使用される。

0065

図9に示されるものと類似の流量制御の方法が、制御器によって分離された2つの圧力検出素子を含む装置600のために実行され得ることを、当業者は認識するだろう。

0066

流量制御器(すなわち、装置1000)が、1つの共通センサ図8のP3)の代わりに流量制限器の下流で2つの個別のセンサ(図10のP3およびP4)を採用することによって、図10に示されるように、4つの圧力センサから構成されることも可能であることもまた、理解される。

0067

先の実施形態に記載されるように、装置800および1000は好ましくは、流量測定が正確になるようによく定義および制御された温度であり、流入する溶媒の温度と装置の温度とを均一にするために、予備加熱が随意的に用いられる。

0068

拡散接合によって作られる平面装置は、溶媒混合、溶媒予備加熱、サンプル注入、およびカラムへの直接連結など、圧力および流量検出以外の機能を随意的に集積する。

0069

チタンおよびTi−6A1−4Vなどのチタン合金は、平面装置を作るために使用される層の好ましい金属材料であるが、しかし、先に記載されたように、300シリーズステンレス鋼などのその他の材料も、場合により適切である。

0070

平面装置の内部のチャネルを流れる流体が、クロマトグラフィ機器によって実行される化学的分離の対象の分子を含有する場合、装置の内面へのアナライトの吸着または流体ストリーム中への金属イオン浸出を防止または低減するために、平面装置の拡散接合の後に、湿潤表面が随意的に被膜または不動態化される(すなわち、湿潤表面が改質される)。このような吸着の周知の例は、ホスホペプチド二酸化チタンとの結合である。被膜または不動態化プロセスは、表面改質と称されることもある。

0071

本技術による平面装置を形成するには、平面装置が上面、底面、および上面と底面との間に設けられた少なくとも1つのチャネルを有するように、2つ以上の金属部品が互いに拡散接合される。検出素子は、上面または底面のうちの少なくとも1つに形成されたダイヤフラムに取り付けられる。ダイヤフラムは、(好ましくは約25マイクロリットル以下の内部湿潤容積を有し、より好ましくは約5マイクロリットル以下の内部湿潤容積を有する)フローチャネルの検出領域の上方に位置し、その内部の流体圧力に反応して偏位する大きさになっている。いくつかの実施形態において、ダイヤフラムは最大で約20ミクロンまで偏位できる。いくつかの例において、この偏位量は、検出素子による測定の分解能をより大きくすることができる。ダイヤフラムの偏位は実際に平面装置の内部湿潤容積の量を増加させるものの、その増加量は非常に小さく(たとえば、ごくわずか)、通常は空洞の内部容積の1%未満であり、フロー特性に対する悪影響はない。

0072

金属部品にチャネルを形成するには、化学エッチング、電子ビーム切断、電解加工、または機械的ミリング加工などによって、部品がパターン形成される。いくつかの実施形態において、金属部品は、少なくとも検出領域が実質的に弓状の断面形状(たとえば、部分的円形、円形、部分的楕円形、楕円形、丸みを帯びたコーナーを有する長方形)を有するようにパターン形成される。

0073

この方法は、単一のフロースルー平面装置上に複数の圧力センサを形成するために、単一の基板上に複数の検出素子を集積するために使用されることが可能である。たとえば、平面装置の最上層は、複数の歪み計の取り付けのために複数のダイヤフラムを含むように変更されることが可能である。同様に、底面も、複数の歪み計の取り付けのために複数のダイヤフラムを含むように変更されることが可能である。さらに、上面および底面の各々は、1つ以上の検出素子の取り付けのために変更されることが可能であり、フローチャネルの実質的に同じ検出領域を取り囲むダイヤフラムを含むようにする上面および底面の変更を含む。

0074

技術のいくつかの実施形態が記載されてきたが、請求項の範囲を逸脱することなく、図示および記載されたその詳細に対する様々な変更がなされてもよいことは、当業者にとって自明であろう。

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