JP5681340B2 - 管継手および管を結合する方法 - Google Patents

Description

本出願は、２００３年７月１５日出願の米国特許出願第６０／４８７，５７２号（代理人整理番号第ＷＡＡ−３２４号）に加えた開示に関連し、これを含んでいる。上記出願の内容はここで、全体を本明細書に明示的に援用する。

本発明は１つまたは複数の他の流体導管または電極または加熱要素などの要素に第１の流体導管を結合する方法に関する。

耐久性があり効果的な管継手を作り出すことは、実行可能で効率的な液体処理システムを作り出す重要な部分である。これらの継手は、数百種類の形があり、ほとんどが流体密シールを必要とする。管は、他の管、マニホールドブロック、平面の流体回路、検出器フローセル、または加熱要素や電極などの他の構成要素に結合することができる。

流体密シールを作り出すことは、常に任意の流体処理システムの設計の際の大きな問題であった。液体クロマトグラフィ（ＬＣ）システムなどの単一の液体処理システムでは、この問題に何度も直面しなければならない。ＬＣシステムは、適切な性能を保証するため、全て実質的に流体密にしなければならない多数のポート、継手、コネクタ、および金具を有する。

システム作業圧力を高めると共にＬＣカラム寸法を小さくすることは、ＬＣ産業の最近の傾向である。近年、分析カラムの内径が８００ミクロンから５０ミクロン以下の範囲である、毛細管寸法スケールのＬＣへの注目が高まっている。７５ミクロン直径のカラムを組み込んだシステムの構成要素の間の連結を行うため、連結管は普通、２５ミクロン以下の内径を有するように選択される。

必要な強度、円滑性、同心度、耐溶剤性、および費用を保持しながら、１５から２５ミクロンの内径（好ましい範囲）の実際の配管を形成するまたは引き出すことができる材料の数は、比較的少ない。溶融シリカは、このような材料の１つであり、溶融シリカ配管は、毛細管寸法スケールでの液体クロマトグラフィへの使用に適切な様々な内径および外径で市販されている。市販の溶融シリカ配管は普通、配管の外表面へある程度の機械的保護を提供するポリイミド緩衝コーティングを備えている。

加えて、毛細管寸法が小さくなるほど、システム作動圧力が大きくなる可能性がある。従来、ＬＣシステム作動圧力は最大５０００ＰＳＩＧである。１５，０００〜１００，０００ＰＳＩＧの超高圧（ＶＨＰ）または極超高圧（ＵＨＰ）ＬＣシステム作動を達成する要求がさらにある。

試料寸法、溶出量、カラムおよび毛細管寸法の減少、およびシステム作動圧力の増大により、管連結、継手およびアセンブリへの需要が急激に増加した。

ＬＣシステムの寸法および圧力により、これらの継手幾何形状を実装することが難しくなる。

本発明は、第１の流体導管を他の流体導管または要素と実質的に接触させるように位置決めし、それによって結合領域を作り出すことによって第１の流体導管を少なくとも１つの他の流体導管または要素に結合させる方法を含んでいる。結合領域は、液化熱可塑性ポリマーで湿らされている。熱可塑性ポリマーはその後冷却され、それによって第１の流体導管と他の流体導管の間に実質的に流体密結合が形成される。流体導管および管は本明細書では、置き換え可能に使用されている。流体導管は、近接側または遠位側である部分を有し、普通は近接および遠位開口部または端部を有する。端部は、開いていても開いていなくてもよい。

この方法は、管を所定の継手幾何形状に位置決めするステップを含んでいる。この幾何形状は、別の管部または要素とインターフェイス接続する管部を含む任意の構造であってもよい。管部は、同じ管または異なる管であってもよい。管は、外壁部を管開口部または管端部に、外壁部を外壁部に、管開口部を管端部に、外壁部を要素に、管開口部または管端部を要素に、管開口部を管開口部にインターフェイス接続することができるが、幾何形状はこれらに限るものではない。管に沿った開口部は、穿孔または他の知られている方法によって作り出すことができる。継手は、バンド幅の広がりが小さい（ｌｏｗ ｂａｎｄ−ｂｒｏａｄｅｎｉｎｇ）接続であるべきである。要素は、電極または加熱要素であってもよいが、このようなものに限るものではない。管または要素が周りでインターフェイス接続する領域は、結合領域であると考えられる。

本発明の結合は、結合領域の熱可塑性ポリマーの液化および還流を達成する高温処理によって得られる。熱可塑性ポリマーは、常温で高程度の化学不活性を示す種類のポリマーから選択され、この種類はポリアリールエーテルケトンを含んでいる。ポリマーはさらに、管および要素を備えた基板との適切な結合を生成する能力に基づき選択され、この結合は加えられる機械的および油圧応力に耐え、流体密シールを保持する必要がある。このようなポリマーの１つは、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）である。ＰＥＥＫの剛性および強度は、高い圧力動作が可能な構造を達成するのに有用である。サービス要件によって、代替の化学的不活性熱可塑性ポリマーを利用することができる。これらのポリマーとしては、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシテトラフルオロエチレン（ＰＦＡ）、およびエチレンテトラフルオロエチレン（ＥＴＦＥ）などの溶融処理可能なまたは熱可塑性のフルオロポリマー材料を挙げることができる。有用なポリマーの種類としてはさらに、熱可塑性ポリイミド、ポリフェニレン、およびポリオレフィンを挙げることができる。

適切に構成された管は、所望の位置で組み立てられる。結合幾何形状により、管の位置は外部取付具があってもなくても保持される。取付具を使用する場合、取付具は継手にも結合されないことを保証するように普通はポリマーに接触していない。継手部は、適度に清潔で、表面汚染がないようにすべきである。普通は、結合する表面をエッチングする、下塗りする、あるいは改質する必要はないが、結合表面領域を大きくする、機械的下塗りを得る、または表面の化学的活性化を実現するように表面改質を行う選択肢が利用可能である。

ポリマーは、予備成形物の位置決めを含む任意の適切な手段によって、または継手の加熱の際またはその後にフィラーロッドから継手に案内される。予備成形物は、リボン、フィラー、フィルムまたはリングを含む継手の幾何形状に適合するような任意の様々な形状を取ることができる。好ましい一実施形態では、ポリマーはろう付けで使用するのと同様の方法で、予備成形物として結合領域に供給される。本明細書で使用されるような予備成形物という用語は、特定の形に限るべきものではなく、継手の加熱前またはその際に、何らかの方法でポリマーの一部に備えられている継手を単に説明するために使用される。結合領域は、各構成部品の上で結合が起こる表面領域である。継手の結合領域は、使用中の負荷から得られる応力に対応できるのに十分大きい寸法であるべきである。

継手は、溶融ポリマーの封じ込めを念頭において設計することが好ましい。ポリマーが冷却すると、結合温度で接触するほとんどのものに接着する傾向があるので、継手は自己取付具であるべきか、または溶融ポリマーは犠牲容器またはエンクロージャ内に含まれているべきである。自己取付具では、結合する部品は液化ポリマーを含んでいる。犠牲エンクロージャは、金属箔などの熱伝導材料でできていてもよく、ポリマーが冷却した後に定位置に残す、または必要または所望に応じて機械加工することもできる。

構成部品結合を得るのに使用される熱は、結合されている継手の幾何形状、および任意の外部取付具の要件に応じて、任意の適切な方法で供給することができる。局所加熱の１つの方法は、アルミニウムまたはスチールのブロック内の対応するキャビティに構成部品を挿入し、抵抗ヒータカートリッジまたは加熱プラテンによりそのブロックを加熱することによって達成することができる。別の方法では、構成部品および任意の必要な取付具は、産業用オーブン内で加熱することができる。超音波または誘導加熱などの、他の加熱法の選択肢が利用可能であり、任意の適切な方法を使用することができる。適切な結合温度および環境を達成する、任意の熱伝導法を使用することができる。

結合される構成部品は、数分の時間枠にわたってある温度であることが好ましい。この比較的遅い加熱サイクルにより、設定点に到達した時に温度の優れた調整が可能であり、混入空気がない状態で高品質の継手を作り出す予測可能な方法でポリマー予備成形物を液化することが可能になる。温度の行き過ぎはこの応用例では望ましくない。というのは、ポリマーは行き過ぎにより材料の熱故障または分解につながる可能性がある温度になっているからである。一実施形態は、加熱中に非酸化雰囲気を提供する。

ＰＥＥＫを熱可塑性ポリマーとして組み込んだ好ましい一実施形態では、構成部品は普通３８５℃から４２０℃の間の温度で１から３分間保持されるが、本発明はこれに限らない。これは、ＰＥＥＫポリマーが構成部品への適切な結合を達成する温度である。熱源はその後取り除かれ、構成部品は常温まで受動的に冷却される。冷却は、結合および構成部品の化学的および構造的完全性を維持する任意の適切な方法で加速することができる。

本発明の管は、輸送管、ＬＣカラム、または任意の他のタイプの流体導管であってもよい。生成される継手は、バンド幅の広がりが小さい接続であり、それによって継手領域を通過するクロマトグラフィバンドに生じる分散を最小にすべきである。結合幾何形状は、液体ポリマーが隣接する管端部の下を流れたり、管の間の熱伝達などの流体連通または他の所望の連通を妨げたりしないように構成されていることが、本発明に重要である。これは、結合領域に案内されるポリマー量、継手幾何形状、および結合領域が受ける加熱および冷却サイクルを調整することによって部分的に達成される。ポリマーが例えば結合端部と平面側部の間を流れることが可能であり、時には好ましいが、ポリマーは管間の流体連通を妨げるべきではない。

図面は、本発明がとることができる多くの実施形態のいくつかを例示しただけである。図１は、より小径の輸送管１２まで通過する、より大きな内径の管端部１０の断面を示している。２本の管は、本発明の方法を使用して互いに結合されている。遠位端１４の管は、液体クロマトグラフィ用途に普通である充填カラム用エンクロージャである。カラムは、近接端で輸送管１２に結合されている。その内径がより大きいことにより、カラム出口１６は、輸送管１２のより小さい外径の周りでスリーブとして機能する。管は、重なる領域内でカラム１４と輸送管１２の間に嵌合するポリマースリーブまたはリング予備成形物１８と実質的に接触して位置決めされている。結合領域は、結合領域を保持するように設計されたアルミニウムハウジング（図示せず）のキャビティ内に配置し、このハウジングを適切に加熱することによって適切な温度にされる。熱はその後取り除かれ、結合領域は受動的に冷却されて、２本の管の間に流体密結合が形成される。

別の方法では、この継手はフィラーロッドからポリマーを案内することによって作り出すことができる。この技術は、フィラーロッドが使用される場合の金属溶接の知られている技術と同様である。フィラーロッドが取り除かれたあと、ポリマーは適切に加熱される。ポリマーはその後冷却されて、結合が形成される。

液化ポリマーは、含まれていてもよいが、含まれている必要はない。適切に構成された場合、この継手は内蔵型として、したがって自己取付構造として働くことができる。あるいは、液化ポリマーは犠牲エンクロージャ内に含まれていてもよい。

図２は、捕捉カラム応用例の知られている構造の断面である。ここで、２本のより小さい外径の管２０が、より大きな内径の充填捕捉カラム２２によってスリーブ付けされている。ポリマーは、前の実施例と同様に、結合領域まで案内、加熱および冷却することができる。

図３Ａおよび図３Ｂは、結合領域での結合例の断面を示している。図３Ａでは、流体密シールが、近接管３２の外径より大きな内径の遠位管３０との間に形成されている。したがって、近接管３２は遠位管３０内に入れ子状になっている。結合３４は、２本の管の接合部を十分に囲む自由表面であり、これらの間に構造的に丈夫な流体密シールが作り出される。

図３Ｂは、図１のものに対する代替結合を示している。図３Ｂの管は、図１と同様に位置決めされているが、結合領域は２本の管のインターフェイスの外側、および各管３１の追加の部分に沿って形成されている。犠牲スリーブ３３は、液化ポリマーを入れるのに使用されている。スリーブ３３は、機械加工する、または定位置に残すことができる金属箔から構成されていることが好ましい。しかし、より恒久的なスリーブ、または液化ポリマーを入れる任意の他の設計を使用することもできる。十分大きな結合領域を保証するように、管の重なった領域と管への各追加領域とを入れるように、結合３５が作り出される。

図４は、等しい外径を備えた２本の管４２を結合および位置合わせするように位置合わせスリーブ４０を利用する別の実施形態の断面である。管の内径は、同じであっても異なっていてもよい。図４の実施形態では、異なる内径が示されている。位置合わせスリーブ４０は一般に、精密孔石英スリーブであるが、任意の適切な材料および寸法であってもよい。図４の結合４４は、２本の管４２およびスリーブ４０の外表面の周りに形成されており、流体密シールおよび丈夫で耐久性のある結合を保証するように結合領域全体を囲む。犠牲容器は図４には図示されていないが、液化ポリマーを入れるのに使用することができる。別の方法では、結合は内蔵型幾何形状を使用して作り出すことができる。

図５は、平面５２内にアースを備えた側部ポート付き管５０の断面を示している。側部ポート付き管５０の管腔は、管の側部を通して穿孔された孔５４によって遮られている。側部ポート付き管５０の外部は、管端部５６が隣接するように実質的に平面５２に接地されている。平面部５２は、隣接する管端部５６が穿孔孔５４の中にあり、実質的に孔の中心にあるために十分な大きさである。穿孔孔５４は隣接する管５５の管腔と位置合わせされており、側部ポート付き管５０と隣接する管５５の間に流体連通を提供する。結合５９は、流体シールおよび丈夫な結合を形成するのに十分なように、平面部５２の側部ポート付き管５０と隣接する管端５６の間で継手の外表面を囲んでいる。

図６では、図５の側部ポート付き管の代替実施形態が示されている。断面図で示すように、この実施形態は、輸送管６４上で互いに実質的に対向する関係で隣接する２本の管６２を有する。試薬添加または溶剤結合は、このタイプの実施形態の応用例に適用されている。

本発明の別の実施形態が図７に示されている。この図は、管から平面の構造継手を断面図で示している。平面構造７０は、任意の材料であってもよい。管７２は、平面構造７０内に穿孔または接地された実質的に平面のシート７４内に配置されている。平面構造７０は、これを通るドリル孔を有していても、有していなくてもよい。シート７４は、管の管腔７６を平面構造７０内のドリル孔７８と位置合わせするように位置合わせ機構として使用することができる。結合７９は、継手の外部幾何形状の周りに予備成形物を配置する、またはフィラーロッド技術を使用し、その後本発明の加熱および冷却制度を行うことによって作り出される。

図８に３管継手を示している。管８０は、Ｖ字溝内にある、または位置合わせガイド８２内のいくつかの他の位置合わせ機構を使用することができる。液化ポリマーは、位置合わせガイド８２の中心キャビティ８６を充填するのに使用される。得られた結合は、これらの間の流体連通のための管端部８４の位置合わせを強固に保持する。

図９では、管内の側部ポート９０が、管腔９４を通る流体流と電気接触するように金属電極９２を案内するのに使用される。この断面図で示すように、結合９６を作り出して、電極９２と管９８の外表面の間で継手を囲むことができる。別の方法では、結合は、ドリル孔９９によって提供された自己取付結合領域を使用することによって含むことができる。これは、ある温度に達し、冷却される前に、ポリマー予備成形物を金属電極９２と共にドリル孔９９内に配置することによって達成することができる。

これらおよび他の継手の実施形態が、本発明の方法から可能である。重要なことは、結合は実質的に流体密シールを作り出さなければならず、管を通る流体の流れを妨げるべきではないことである。結合は化学的に不活性であり、機械的に強度がなければならない。というのは、普通はシールを維持しながら加えられる機械的および油圧応力に耐える必要があるからである。ポリマーは、他の判断基準の中から、管を備える基板との適切な結合を生成することができる能力により選択される。したがって、本発明の方法は多くの実用的な応用例を有することが容易に理解されるべきである。加えて、好ましい実施形態を例示し、説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができることは、当業者には自明のことであろう。このような変更は、特許請求の範囲に含まれると考えられるものとする。

より小径の輸送管まで通過する、より大きな内径の管端部を示す断面図である。 捕捉カラム応用例の知られている構造を示す断面図である。 流体密シールが、近接管の外径より大きな内径の遠位管との間に形成されている、結合領域での結合例を示す断面図である。 図１のものに対する代替結合を示す、結合領域での結合例を示す断面図である。 等しい外径を備えた２本の管を結合および位置合わせするように位置合わせスリーブを利用する別の実施形態を示す断面図である。 平面内にアースを備えた側部ポート付き管を示す断面図である。 図５の側部ポート付き管の代替実施形態を示す断面図である。 管から平面の構造継手を示す断面図である。 ３管継手を示す断面図である。 管腔を通る流体流と電気接触するように金属電極を案内するのに使用される、管内の側部ポートを示す断面図である。

Claims (20)

1. 第１の流体導管を１つまたは複数の他の流体導管に結合する結合方法であって、
   第１の流体導管部分と少なくとも１つの他の流体導管部分との間に実質的に直接のインターフェイスを形成するように、第１の流体導管部分を少なくとも１つの他の流体導管部分と実質的に接触させて位置決めするステップと、
   結合領域が加熱された後、結合領域に固体熱可塑性ポリマーを外側から加えるステップと、
   固体熱可塑性ポリマーが結合領域に外側から加えられた結果として、固体熱可塑性ポリマーを液化するステップとを含み、固体熱可塑性ポリマーが結合領域に外側から加えられるまで、結合領域には熱可塑性ポリマーが無く、前記結合方法がさらに、
   実質的に流体密結合が第１の流体導管部分と少なくとも１つの他の流体導管部分との間に確立され、冷却された熱可塑性ポリマーが実質的に直接のインターフェイスを囲む、熱可塑性ポリマーを冷却するステップを含む、結合方法。
2. 第１の流体導管部分および少なくとも１つの他の流体導管部分の内径が実質的に等しい、請求項１に記載の結合方法。
3. 第１の流体導管部分の内径が、少なくとも１つの他の流体導管部分の内径より大きい、請求項１に記載の結合方法。
4. 第１の流体導管部分および少なくとも１つの他の流体導管部分が、流体密継手を形成するように結合された導管開口部である、請求項１に記載の結合方法。
5. 少なくとも１つの他の流体導管部分が、第１の流体導管部分の実質的に平坦な外側部分に結合されている、請求項１に記載の結合方法。
6. 第２の導管部分が、少なくとも１つの第１の流体導管部分および少なくとも１つの他の流体導管部分の外表面の周囲に形成される、請求項１に記載の結合方法。
7. 少なくとも１つの他の流体導管部分が、第１の流体導管内に入れ子状になっている、請求項１に記載の結合方法。
8. 犠牲スリーブによって結合領域周辺に液化熱可塑性ポリマーが含まれる、請求項１に記載の結合方法。
9. 犠牲スリーブが熱伝導性である、請求項８に記載の結合方法。
10. 犠牲スリーブが金属箔である、請求項８に記載の結合方法。
11. 液化熱可塑性ポリマーが、予備成形物として結合領域に位置決めすることによって結合領域に案内される、請求項１に記載の結合方法。
12. 液化熱可塑性ポリマーが、結合領域の近くに位置決めされた熱可塑性ポリマーからなるフィラーロッドから結合領域に案内される、請求項１に記載の結合方法。
13. 導管が溶融シリカでできている、請求項１に記載の結合方法。
14. ポリマーが、非酸化雰囲気で液化される、請求項１に記載の結合方法。
15. ポリマーが、ポリアリールケトン、熱可塑性フルオロポリマー、ポリイミド、ポリフェニレン、およびポリオレフィンからなる群から選択される、請求項１に記載の結合方法。
16. ポリアリールケトンが、ポリアリールエーテルケトンである、請求項１５に記載の結合方法。
17. ポリアリールエーテルケトンが、ポリエーテルエーテルケトンである、請求項１６に記載の結合方法。
18. 結合表面領域を大きくする、機械的下塗りを得る、または表面の化学的活性化を実現するようにエッチングまたは下塗りによって、継手の導管部分の表面を改質するステップをさらに含む、請求項１に記載の結合方法。
19. 結合領域で第１の流体導管部分および少なくとも１つの他の流体導管部分に位置合わせスリーブを位置決めすることをさらに含む、請求項１に記載の結合方法。
20. 熱可塑性ポリマーが、位置合わせスリーブを囲む、請求項１９に記載の結合方法。

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