JPH08506997A - 超臨界流体抽出装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
超臨界流体を自動超臨界流体抽出装置に供給し、抽出物質を抽出装置から採取するため、サンプル保持カートリッジ(30A)を昇降装置プラグにより一つずつ連続的に圧力チャンバ(24A)内に持ち上げる。カートリッジ(30A)の頂部の入口が抽出材の圧力容器の入口に係合し、このため、抽出材は、カートリッジ(30A)及び該カートリッジと圧力チャンバ(24A)の内壁とのスペース内に流動する。カートリッジ(30A)及び圧力容器からの出口は、プラグの通路を通じて採取装置(408)及び排出路に連通している。該プラグは、シールを洗浄する洗浄ポートを備えており、また、カートリッジ(30A)からの排出物は、該シールを通って流動する。採取装置(408)は、バイアルを所定位置に持ち上げ、採取溶剤を予め冷却することが出来、また、その後に採取手順の一部として、採取装置(408)を加熱し且つ加圧することが出来る。
Description
【発明の詳細な説明】
超臨界流体抽出装置及び方法
関連出願
本出願は、1990年7月13日付けで出願された、「超臨界流体抽出装置及び方法
(APPARATUS AND METHOD FOR SUPERCRITICAL FLUID EXTRACTION)」に係る、米
国特許出願第07/553,119号の一部継続出願である、1991年11月22日付けの米国特
許出願第07/795,987号の分割出願である、1992年7月6日に出願された米国特許
出願第07/908,485号の一部継続出願である。
発明の背景
本発明は、超臨界流体抽出に関し、より具体的には、かかる装置内でその超臨
界温度付近にて液体を送出する往復運動ポンプに関するものである。
超臨界流体抽出において、抽出容器は、臨界温度以上の温度に保持され、該容
器には、その臨界圧力以上にて流体が供給される。これらの状況下にて、その抽
出容器内の流体は、超臨界流体である。超臨界抽出のための一型式の容器におい
て、熱源内には、特殊な構造の抽出容器が設けられる。
加熱炉内で加熱された、ボルト止めしたステンレス鋼から成る抽出容器の内部
にガラスを裏当てした抽出チャンバを使用する、上記型式の従来技術の装置は、
B.W.ライト(Wright)等により、ANAL.CHEM.59、38−44頁(1987年1月)に
記載されている。この型式の抽出装置は、(1)使用する前に、サンプルを挿入
するために、加圧した抽出容器を開放し、また、使用後には、使用済みのサンプ
ルを取り出すために再度、開放するという、時間を費やす手順を必要とすること
、(2)ある状況のときは、高温の抽出容器を取り扱わなければならないことと
いう欠点がある。
サンプルを自動的に交換する従来技術の装置は公知である。例えば、ベックマ
ン・インスツルメンツ・インコーポレーテット(Beckman Instruments,Inc.)
は、放射線免疫型やバイオガンマ分析装置を製造しており、該バイオガンマ分析
装置は、サンプルバイアルとサンプル交換装置からサンプルチャンバ上方の鉛遮
蔽放射線計数チャンバの上まで上昇させる昇降機構を備えるサンプル交換装置を
内蔵している。また、ベックマン・インスツルメンツ・インコーポレーテットが
製造するガンマシリーズ300装置は、サンプルバイアル及び計数チャンバを該
チャンバの外部環境から分離する厚い鉛シャッタを自動的に介在させる。これら
の装置は、1972年又は1973年のベックマン・資料7250(Beckman Bulletin)に記
載されている。別の装置は、ローム・アンド・ハス(Rhom and Haas)の一部門
であるマイクロメディク(Micromedic)が製造する、マイクロメディク・コンセ
プト(Micromedic Concept)4と称するものがある。これは、1976年の資料M15
15に記載されている。
この型式の装置を記載した米国特許が2件あり、それは、1966年6月21日付で
パッカード(Packard)等に付与された「トレーに対する移し替え及び割り出し
手段を備える可搬型トレーで運んだサンプルの放射性活性度検出装置(RADIOACT
IVITY LEVEL DETECTING APPARATUS FOR SAMPLES CARRIED BY PORTABLE TRAYS WI
TH TRANSFER AMD INDEXING MEANS FOR THE TRAYS)」という名称の米国特許第3,
257,561号及び、1965年8月3日付けでオルソン(Olson)に付与された「放射性
サンプルの活性度の測定装置(APPARATUS FOR MEASURING ACTIVITY LEVELS OF R
ADIOACTIVE SAMPLES)」という名称の米国特許第3,198,948号である。
これらの装置は、超臨界に必要な高温、高圧の流体装置の取り扱いには適して
いない。
発明の概要
従って、本発明の一つの目的は、新規な超臨界抽出技術を提供することである
。
本発明の別の目的は、新規な超臨界抽出装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、一連のサンプルを自動的に処理する新規な超臨界抽
出装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、一連のサンプルを自動的に処理するが、抽出材が圧
力容器及びサンプルを通って下方に流動することに伴う利点を保持する新規な超
臨界抽出装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、各抽出後にそれ自体で洗浄する新規な超臨界抽出装
置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、寸法の異なる採取バイアルを使用することの出来る
新規な超臨界抽出装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、抽出過程中にバイアルの交換を可能にする新規な超
臨界抽出装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、採取バイアルの温度及び圧力を制御することにより
、捕捉効率を改善し、しかも操作者の操作を必要とせずに、自動的に装填される
新規な超臨界抽出採取装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、採取バイアルの温度及び圧力を制御することにより
、採取溶剤の損失を少なくし、しかも操作者の操作を必要とせずに、自動的に装
填される新規な超臨界抽出採取装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、採取バイアルの温度及び圧力を制御することにより
、リストラクターの詰まりを回避し、しかも操作者の操作を必要とせずに、自動
的に装填されるする新規な超臨界抽出採取装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、抽出前にバイアルを予め冷却する新規な超臨界抽出
採取装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、抽出中、又は抽出の完了後に、採取バイアルに溶剤
を再充填する新規な超臨界抽出装置を提供することである。
本発明の上記及びその他の目的に従い、超臨界流体抽出装置は、抽出すべきサ
ンプルを保持することが出来るカートリッジと、該カートリッジが装着される圧
力容器と、ポンプ装置とを備えている。該圧力容器は、ヒータに取り付けられ、
カートリッジは、該圧力容器を密封するブリーチプラグに着脱可能に取り付けら
れる。カートリッジの外側であるが、圧力容器の内部が不純物で汚染されずに、
カートリッジの内側及び外側の圧力を均等にするため、カートリッジ及び圧力容
器に対する別個の出口がある。
プログラマブルバルブの開閉を許容し、これにより、高圧流体が超臨界流体抽
出装置の圧力チャンバ内に流動するのを制御するため、モータ被動バルブは、球
状又はボール状のバルブ要素を受け入れる弁座と、モータの制御により往復運動
可能に動いて、バルブ要素を弁座に付勢し、又は該バルブ要素を解放するバルブ
ステムとを備えている。ボールは、解放されたときに回転自在となり、超臨界流
体が弁座を通り且つボールを経て流動し、圧力容器に入る。
ボールが回転するときに、ボールに傷を付け、その寿命を短くすることを回避
するため、ステムの面は、弁座よりも堅いが、球状のバルブ要素の面ほど堅くは
ないようにする。球状のバルブ要素は、弁座よりも遥かに堅く、弁座は、顕著な
傷を生ぜずに、20,000psiの圧力に耐えるのに十分な堅さである。
マイクロプロセッサの制御により作動を自動化するために、モータ作動の成分
採取器、モータ作動のサンプル供給面及びモータ作動のサンプル注入装置は、サ
ンプル及び採取容器を自動的に動かして採取ステーション内に入れ、サンプルを
抽出圧力容器内に注入して、抽出を行い、一連のサンプルを人間の取り扱いが最
小の状態で抽出することが可能なタイミングの合った順序にて抽出材を異なる適
当な採取容器内に採取する。
好適な実施例において、可動のモータ部材は、(1)サンプルを運ぶサンプル
カートリッジを抽出ステーション内に動かすサンプルカートリッジリールの開口
部に、及び(2)採取圧力容器の開口部に整合される。該可動部材は、圧力容器
の対応する寸法の開口部を密封可能な寸法をしており、サンプルカートリッジを
圧力容器内に動かし且つ圧力容器を密封し得るようにしてある。カートリッジに
対する抽出作用を可能にするため、バルブを作動させるモータが設けられている
可動部材は、抽出後に圧力容器から除去されて、サンプルカートリッジをサンプ
ルリールに戻す。
作動中、抽出すべきサンプルは、カートリッジ内に配置され、カートリッジは
圧力容器内に挿入し且つ該圧力容器内で密封する。挿入したとき、二つの出口接
続部の一方は、カートリッジの内部と連通し、もう一方は、カートリッジの外側
の圧力容器の内部と連通する。圧力容器への入口へは、ポンプの出口に連通し、
該ポンプは、流体を加熱する経路に沿って超臨界流体を送出し、またプログラマ
ブルバルブを通じて圧力容器及び抽出カートリッジの内部に送出する。各抽出毎
に、バルブは、バルブ要素を解放して、流動を許容し且つ該バルブ要素を閉じて
、更なる流動を阻止する、コンピュータ制御モータによって自動的に作動される
。
カートリッジの外側から汚染物質を除去するため、出口は、圧力容器の内部に
及びカートリッジの外部に連通し、これにより、流体が汚染物質収集器まで外方
に流動するときに、超臨界流体がカートリッジの外部及び圧力容器の内壁を洗浄
することを可能にする。
抽出のため、カートリッジは、圧力容器の抽出材出口と協働し、また、超臨界
流体がカートリッジ内に流動するように、成分採取器に接続された出口を備えて
おり、カートリッジの内部に連通する接続部から出て適当な採取容器に入る。
自動超臨界流体採取器の作動中、サンプルのカートリッジは、サンプル交換群
内に配置され、超臨界流体により抽出すべく圧力容器に自動的に搬送される。好
適な実施例において、この搬送は、連続的なサンプルバイアルのリール内で最初
に水平方向に行われ、次に、開口部を通じて圧力容器内に垂直方向に行われる。
搬送機構は、圧力容器を密封し、所定位置にロックされ、また、モータ被動バル
ブが再処理のための洗浄サイクル中に、抽出流体を自動的に付与し、次に、一又
は複数の抽出サイクルを通じて流体を抽出する。好適な実施例において、リール
保持容器である成分採取器は、成分採取器容器を採取に適した位置に動かす。選
択可能な別の実施例において、抽出材流体管は、容器毎に動かすことも可能であ
る。
プログラム制御の下、一連のサンプルを連続的に抽出する自動抽出装置の一実
施例において、抽出容器は、抽出流体がカートリッジを通って頂部から底部に流
動するのを許容する手段を備えている。これは、底部から頂部に流動する場合よ
りも迅速且つ均一な抽出が可能である。
一実施例の採取バイアル穿孔機構は、バイアルに対する温度及び正内圧の制御
を行う手段を備えている。バイアル内の正圧は、採取溶剤及び溶解した抽出物質
のミスト化を抑制する。また、バイアルからの余剰ガスは、保持されて、次に、
遠方の位置に送られて、採取及び処分が行われる。
抽出材がサンプルカートリッジの頂部から底部に流動し得るようにするため、
チャンバの頂部に形成された流動入口、及びブリーチプラグの内側とチャンバ壁
(この場合、出口側)のシールとの間のスペースは、各抽出後に、掃引されて清
浄になる。この下方への流路は、抽出材が上方に流動する場合のようにサンプル
が上昇し、チャンバ内で分解して成分に分離する傾向を解消する。遊離したサン
プルの成分間に形成される流路は、サンプルの周囲の殆どの流れに短絡を生じさ
せるため、サンプルが上昇することは望ましくない。
カートリッジ出口からシール内に流動する流体は、サンプルカートリッジの抽
出が完了したと見なした後も、相当の間、少量の抽出材を含んでいる、各抽出後
にブリーチプラグシールを洗浄しなければならない。従って、洗浄層中にポンプ
からの清浄な超臨界流体が抽出カートリッジを迂回して、シールに直接、流動す
るようにする措置が講じられている。
サンプルを採取するため、採取装置の一実施例は、その一部に採取溶剤が充填
された多数の採取バイアルを備えており、リストラクターは、該採取溶剤を通じ
て取り込んだ採取材によりCO2を発生させる。各バイアルは、その開放した上
端にスリット付き隔膜を有し、リストラクターの端部がバイアル内に貫入するこ
とを許容する。一実施例において、リストラクターは、バイアル内に下降させる
。別の実施例において、バイアルは、採取カートリッジの昇降装置に直接接続さ
れたロッドによってリストラクターの上に持上げられる。
更に別の実施例において、バイアルは、カートリッジ昇降装置と独立したバイ
アルリフターにより持上げられる。採取過程中に、バイアルを交換することを可
能にするため、サンプルカートリッジ昇降装置と独立的に機能するリフトが必要
とされる。
この実施例は、リストラクターを繰り返し曲げてリストラクターを摩耗させた
り、破損させたりすることが無い点でリストラクターを移動させる実施例に優る
利点がある。この実施例の利点は、バイアルリフターがカートリッジ昇降装置に
直接接続され、(1)採取過程中、採取チャンバを減圧することなく、バイアル
の交換が可能である。(2)捕捉効率を改善すること。(3)抽出物質/溶剤の
損失が少ない。(4)リストラクターの凍結及び詰まりが少ない。(5)バイア
ルの外側の着氷が少ないことである。
採取過程中にバイアルの交換が可能であることは、例えば、次のような利点が
ある。(1)温度及び圧力のような抽出条件を変更し、又は特定の物質をサンプ
ルマトリックスから除去し、各物質を別個のバイアル内に付着させることが比較
的容易であること。(2)採取運動状態を観察するのに有用であること。(3)
別個のリフトを使用するならば、ストロークは採取カートリッジ昇降装置に無関
係となるため、寸法の異なるバイアルを使用することが可能である。
抽出後に、抽出チャンバを減圧せずに、バイアルを交換し得ることは、多数の
洗浄ステーションの使用を一層容易にする。洗浄ステーションは、リストラクタ
ーの外側の洗浄に使用される。リストラクターを連続的に洗浄するとき、抽出毎
の汚染を許容可能なレベルまで希釈するため、幾つかのバイアルが使用される。
独立的なバイアルリフトを使用しなかったならば、チャンバを減圧して、各洗浄
段階毎にブランク材を繰り返し装填しなければならないであろう。
捕捉効率の改善及び採取溶剤の損失の軽減は、幾つかの技術により達成可能で
ある。かかる技術の一つは、採取中、採取溶剤の温度を5℃以下程度に低くしな
ければならない。しかしながら、低い温度は、捕捉効率を改善し、損失を軽減す
るものの、リストラクターの詰まり及びバイアルの着氷という問題点を生じさせ
る。バイアルの外側に着氷することは、採取後にバイアルをバイアルラック内に
下降させるときの邪魔となる。こうした問題点を防止するため、バイアルに熱を
加えて、最小温度を維持しなければならない。採取の開始前にバイアルを予め冷
却し、次に、熱を加えてこの温度を維持する装置であるならば理想的である。
捕捉効率を改善し且つ損失を軽減するため、圧力を維持すべく調節装置には密
封装置を使用し、採取バイアルは十分に加圧して、非加圧状態のバイアル内のリ
ストラクターから出るガスが急激に膨張することに起因するミスト及び蒸気を少
なくし且つバイアルの通気口からのガスの損失を防止する。圧力は、十分に上昇
させ、採取溶剤及び抽出物質の蒸発量を少なくし、ガスの所定の体積流量のとき
、ガス容積及び気泡の寸法が小さくなるようにする。密封装置において、ガス及
び蒸気は、適正且つ安全に処分可能であるように流動させることが出来る。
十分な溶剤の液位を維持するため、バイアル内の液位を光学的に検出する機能
を備える液位制御装置が設けられる。この装置は、蒸発により採取バイアルが過
度の採取溶剤を失うとき、採取溶剤の補充手段を作動させる。高圧であれば、急
激な発泡が少なくなり、このことにて、光学的検出が一層容易となるため、流体
の液位の検出装置は、加圧装置による利点がある。
上記の説明から理解されるように、超臨界抽出技術は、例えば、次のような幾
つかの利点がある。即ち、(1)抽出過程のサンプルの注入及び分析物質の採取
部分を自動化し及び抽出自体を自動化する。(2)抽出過程中、抽出チャンバを
減圧することなく、バイアルの交換が可能である。(3)優れた捕捉効率が得ら
れる。(4)抽出/溶剤の損失が少ない。(5)リストラクターの凍結及び詰ま
りが少ない。(6)バイアル外側の着氷が少ない。(7)特定の物質をサンプル
マトリックスから除去し、各物質を別個のバイアル内に入れることが出来るよう
に温度及び圧力のような抽出条件の変更が可能である。(8)抽出中、バイアル
を交換することにより、検査のため、抽出運動作用を観察するのに有用である。
(9)リフトは、採取カートリッジ昇降装置と無関係であるため、寸法の異なる
バイアルの使用が可能となる。(10)多数の洗浄ステーションを使用してリス
トラクターの外側を洗浄することが可能となる。
図面の説明
本発明の上記及びその他の特徴は、添付図面に関する以下の詳細な説明から一
層良く明らかになるであろう。添付図面において、
図1は、本発明による単一の超臨界流体抽出装置の作用を示す概略図、
図2は、採取カートリッジ、ブリーチプラグの圧力容器及び加熱ブロックの部
分断面図、
図3は、一連のサンプルを自動的に抽出可能である本発明の別の実施例の斜視
図、
図4は、図3の線4−4に沿った断面図、
図5は、図4の線5−5に沿った断面図、
図6は、図4の線6−6に沿った断面図、
図7は、本発明に有用なバルブの断面図、
図8は、図7のバルブと共に使用される接続管の接続具の平面図、
図9は、図7のバルブの外側側面図、
図10は、図7のバルブの外側平面図、
図11は、装置を作動させる回路のブロック図、
図12は、図11のブロック図の一部の概略図的な回路図、
図13は、図11のブロック図の別の部分の概略図的な回路図、
図14は、自動超臨界流体抽出の別の実施例を示す概略図、
図15は、採取チャンバ、カートリッジ、ブリーチプラグ及び流れ分割器の一
実施例の断面図、
図16は、図15の線16−16に沿った図15のチャンバの断面図、
図17は、バイアルの隔膜を穿刺し且つ溶剤を採取する装置の断面図、
図18は、バイアルヒータ及び冷却器から見たバイアル隔膜を穿刺し且つ溶剤
を採取する装置組立体の別の断面図である。
【実施例】
図1において、ポンプ装置、バルブ装置、収集装置16及び圧力容器と流体抽
出装置の組立体18を有する二重チャンネル式超臨界流体抽出装置10の内の一
チャンネルの流体ダイヤグラムが図解的に示されている。ポンプ装置12は圧力
容器と流体抽出装置の組立体内の2個の抽出カートリッジを連結する。この目的
のためポンプ装置12はティ継手を介して2個の同じバルブ装置に連結されてお
り、その内の1つは14で図示されている。各バルブ装置は2個の抽出カートリ
ッジの対応するカートリッジ用の2つの出口の1つと別々に連通している。
バルブ装置14及びティ継手20の他の枝管へ連結されている第2のバルブ装
置(図1には示されていない)は、各々2式の異った収集装置16に連結されて
おり、その内の1式が図1には示されている。これは又圧力容器と流体抽出組立
体18内の2個の抽出カートリッジの異った1つに連結されている。従って、2
つの抽出作動を同一のポンプ装置12を使用して同時に行うことができる。この
ような機構において、バルブ装置14は、(1)ポンプ装置12からカートリッ
ジ及び圧力容器と流体抽出装置の組立体18の圧力容器内部の間の空間へ超臨界
状態の流体を流動させてカートリッジの外側及び圧力容器の内側を洗浄させ、(
2)カートリッジ内のサンプル134の抽出を行うためカートリッジを介して超
臨界状態の流体を流動させるようにする。この流体はカートリッジの内側及び外
側の双方へ送られるため、カートリッジは該内側及び外側の間の高い差圧に耐え
る必要性がなく経済的に製造することができる。
圧力容器と流体抽出装置の組立体18内へ入る流体の流れを制御することに加
え、バルブ装置14は以下の流動をも制御する。すなわち、(1)カートリッジ
と圧力容器の内部との間の空間から収集装置16又は排気装置まで超臨界状態の
流体を排出すること、及び(2)カートリッジの内部から収集装置16へ抽出物
質を送り別の収集を行うこと、である。
抽出処理中にサンプル134を保持するように、前記組立体18は、加熱ブロ
ック22、圧力容器24及びカートリッジとプラグの組立体26を備え、このカ
ートリッジとプラグの組立体26は圧力容器24の中へ伸長している。このよう
な構成において、加熱ブロック22は圧力容器と流体抽出装置の組立体18内の
流体を抽出用の超臨界状態の流体温度と圧力に維持する。
カートリッジとプラグ組立体26は抽出カートリッジ組立体30、ブリーチプ
ラグ32及びノブ34を備えている。これらの要素は、相互に連結されており、
従って、(1)圧力容器24は容易にブリーチプラグ32に封着され、(2)抽
出カートリッジ組立体30はブリーチプラグ32にスナップ止めされかつノブ3
4により担持され、そして(3)ノブ34は当該組立体30を抽出管付きの管状
圧力容器に挿入しかつ締結するハンドルとして作用する。ここで、抽出管は、そ
の軸心と整合する出口と、圧力容器24の内壁及び抽出カートリッジ30の外側
の間の空間用の入口であって圧力容器24の内側で当該組立体30を取り囲む溝
を介して設けられた抽出カートリッジ組立体30の内側用の入口と、を連通させ
る。
かかる構成において、抽出カートリッジ組立体30は、ブリーチプラグ32を
ねじ込むことにより圧力容器24内へ容易に封着され、かつブリーチプラグ32
のねじを緩ませてノブ34を持ち上げることにより容易に取り出される。抽出カ
ートリッジ組立体30は中空の内部、入口及び出口を含み、従って抽出されるべ
きサンプルが中空の内部に位置決めされかつ超臨界状態の流体が入口、中空の内
部を介して出口へそして収集装置へと通過するようになされ得る。抽出カートリ
ッジ組立体30は抽出室又は抽出管として作用し、圧力容器24は抽出容器とし
て、加熱ブロック22はオーブンとして作用する。これらの用語は従来では普通
に使用されているものである。
好適実施例においては、ノブ34は低い熱伝導性の材質で造られており、全て
の実施例において、ノブ34のハンドル部分の加熱を低減するように取り付けら
れた少くとも断熱性の熱遮蔽装置を備えていることが必要である。ノブ34は圧
力容器24の外側へ伸長しかつ圧力容器24とブリーチプラグ32の封止状態を
支援するようになされている。従って、抽出カートリッジ組立体30は圧力容器
24内で適当な温度で維持されている。そしてノブ34は取り扱いに十分な程度
に冷却を維持するように圧力容器24の外部にある。
好適な実施例では、ノブ34は断熱材で造られているが、これは圧力容器24
の内側から伝達される熱を遮断するのに必要であるだけのことであり、このこと
は又ノブ34から圧力容器24を分離する熱遮蔽によってもなし得る。例えば、
少くとも1mmの幅を有し、ノブ34の断面の少くとも80%の範囲にわたりその
断面を横切って伸長しカートリッジとノブ34間の熱移動のかなりの量を効果的
に遮断する断熱ディスクのようなものであってもよい。断熱ディスクは30度C
で0.05カロリー/cm・sec.以下の熱伝導率でなければならない。
抽出カートリッジ組立体30は開口部を有しており、この開口部はいくらかの
超臨界状態の流体が圧力容器24へ入り抽出管内へ通じる1つの経路に沿って移
動し抽出管の出口を介して流出し収集装置へ導く導管内へと移動することを可能
にする。他の臨界超過の状態の流体はカートリッジの外側を周って第2の経路に
沿って移動し圧力容器24から汚染物質を取り除き、圧力を均衡させ他の出口か
ら流出する。抽出カートリッジ組立体30の入口及び出口の1つは組立体30の
中心軸線に沿って入りその他は側部から入り、圧力容器24が着座している間相
互に部品の回転を可能とし、かつ抽出カートリッジ組立体30と流体源及び収集
装置との連通を可能にする。熱と流体の損失を減少させるため、カートリッジの
外側と圧力容器24の内壁間の空間は、洗浄流用の流れを収容するため及びカー
トリッジの内側と外側間の圧力を平衡させるために十分な大きさに限られる。カ
ートリッジの外側と圧力容器24の内側間の体積は10cm3以下である。
好適実施例においては、入口は圧力容器24の内壁とカートリッジ・プラグ組
立体26間の環状の空間内に開口している。流体は環状の空間から2つの経路に
沿って移動する。これら双方共、狭い孔付きの環状マニホールドと、ブリーチプ
ラグ32内の凹所と連通する通路とを備えている。1つの経路は抽出カートリッ
ジ組立体30内に開口している。他の経路は抽出カートリッジ組立体30の外側
の狭い空間に沿って通じている。従って、超臨界流体はラビリンス状の経路を経
て抽出管へ入り、同時に、抽出管の外側を通ることにより、抽出管内の圧力は常
時圧力容器24内の圧力とほぼ同じ圧力である。圧力がほぼ同じであるため、抽
出管内のサンプルから抽出するに際し高圧が望まれるにもかかわらず、抽出管自
体は比較的低価格のプラスチックで形成することができる。
圧力容器24は金属のような強い材料で全体的に形成されかつ開放した頂部、
入口開口部及び2つの出口開口部を有する容器として形成されている。入口開口
部は入口継手42を受け入れるような寸法となっている。この入口継手42は図
1に示されており対応する熱交換器40にチェックバルブ60Aで直列に連結さ
れている。2つの入口開口部の各々は対応する洗浄バルブ継手44及び対応する
抽出流体用の継手46のそれぞれを受ける寸法となっている。これらの継手によ
り、圧力容器24はカートリッジ・プラグ組立体26をその開口部端部に受け入
れることが可能でありかつカートリッジと46で示す抽出流体バルブ継手の間の
連通を可能とする。42で示す入口継手及び44で示す洗浄バルブ継手は圧力容
器24の内側との連通を可能とする。
圧力容器と流体抽出装置の組立体18へ入る又はそれから出る流体の流れを制
御するため、バルブ装置14は抽出バルブ50、洗浄流体バルブ52及び抽出流
体バルブ54を備えている。
抽出流体を圧力容器と流体抽出装置の組立体18へ導入するため、抽出流体バ
ルブ54はティ継手の1つの枝管を管56を介して連通させかつ管58を介して
熱交換器の一端を連通させる。熱交換器の他端は管60、チェックバルブ60A
及び管60Bを介して入口継手42と連通させる。これらの連結により、抽出流
体バルブ54は、ポンプ装置12から熱交換器40及び入口継手42を介して圧
力容器へ流れる流体を制御する。
圧力容器24からの洗浄流体を除去するため、洗浄流体バルブ52は、1つの
ポートを管62を介して洗浄バルブ継手44と連通し、かつ他のポートを管64
(図1には図示されていない)を介して収集装置16又は排出口(図示されてい
ない)と連通しており抽出カートリッジ組立体30の外部及び圧力容器24の内
部からの汚染物質を含んだ流体を除去する。
抽出カートリッジ組立体30からの抽出物質を取り除くため、抽出物バルブ5
0はそのポートの内の1つを管66を介して抽出流体用の継手46と連通しかつ
他のポートを抽出物質を集める管68を介して収集装置16と連通する。これら
抽出された物質は、しばしば圧力容器と流体抽出装置の組立体18内のサンプル
からの分析物又は抽出物と見なされている。
便宜性を考慮して、バルブ52,54は単一の手動式制御ノブ70により操作
されるように装着されている。バルブ装置14へ流体を供給するため、(1)管
56は圧力流体をポンプ装置12からティ継手20へ移動させ、(2)管76は
ティ継手20の一方のアームに連結されていて図1には示されていない他の流体
抽出装置のユニットへ圧力流体を移動させ、そして、(3)ティ継手20のもう
1つのアームは管56を介して抽出流体バルブ54の入口継手74へ連結されて
いる。バルブ50,52及び54は、好適な実施例ではSSi形式の02−01
20である。
抽出流出バルブ54は回転式制御軸80を有し、この軸80は入口ポートを開
放又は閉鎖するように回転される。この軸は、又、手動制御ノブ70により操作
され制御軸80にピン付けされたはすば歯車82を担持する。はすば歯車84は
、洗浄流体バルブ52の制御軸107にピン付けされていて、はすば歯車82と
噛み合っており、従って、制御ノブ70が時計方向へ回転した時、抽出流体バル
ブ54は閉鎖されるが、洗浄流体バルブ52の制御軸は回転方向に対して反対方
向に噛み合っているので、ノブ70の時計方向の回転により洗浄流体バルブ52
が開放する。
2つの軸の2つの歯車の相対的な配置は以下の通りである。すなわちノブ70
の第1(時計方向)の位置において、抽出流体バルブ54は遮断され、洗浄流体
バルブ52は開放される。この第1の位置から制御ノブ70を反時計方向に13
0度回転することにより抽出流体バルブ54が開放する一方、洗浄流体バルブ5
2は開放した状態を維持することが可能である。このように、両バルブは、ノブ
70が第1の位置から反時計方向に130度回転された時、開放する。ノブ70
が第1の位置から反時計方向に260度回転されると、抽出流体バルブ54は開
放されそして洗浄流体バルブ52が閉鎖される。従って、制御ノブ70用の3箇
所の定義可能な位置が存在する。すなわち、(1)バルブ54が遮断しかつバル
ブ52が開放した状態の時計方向位置、(2)両バルブが開放した状態の中間位
置、そして(3)バルブ54が開放しかつバルブ52が遮断した状態の完全に反
時計方向の位置、である。
抽出バルブ50は入口継手120、出口継手122、手動制御ノブ132及び
制御軸126を備えている。回転式制御126は制御ノブ132に取り付けられ
る。抽出バルブ50が、制御ノブ132をその閉鎖位置から反時計方向へ回すこ
とにより開放された時、流体は抽出カートリッジ組立体30から、抽出流体継手
46、バルブ入口継手120、出口継手122、管68を介して収集装置16へ
と流れる。
収集装置16は、洗浄カップリング90、洗浄流体収集装置92、抽出物カッ
プリング94、分析用計器96、及び抽出流体収集装置98を備えている。バル
ブ52を介して流れる洗浄流体は、洗浄カップリング90を介して毛細管110
へ入りそしてそこから洗浄流体収集装置92内に入り、溶剤100の中へと流れ
る。同様に、バルブ50を介して流れる抽出物質は、管68を介して抽出物カッ
プリング94へ入り、そしてそこから毛細管128へ入り、好適な実施例では適
当な溶剤104を収容した抽出流体収集装置98の中へ流れる。
分析用計器96は従来の公知の方法で光学カップリング102を介して毛細管
128へ接続されていてもよい。光学カップリング102は光検出装置及び毛細
管128の一部の両側にある光源である。この部分は光を通過させるように修正
されている。この計器96は抽出物質を監視しかつ抽出流体収集装置98への流
入の表示を与え更に光の吸光度についての情報を与える。他の分析用計器も又、
抽出物質の他の特性を表示し同定するように使用されてもよい。
図2には、クリップ止めされた抽出カートリッジ26、ノブ34、及び圧力容
器24に取り外し可能に取り付けられたブリーチプラグ32の断面が示されてい
る。圧力容器24は予め加熱ブロック22内に締りばめされている。圧力容器2
4は良好な切削性の耐蝕性を有する303ステンレス鋼で製造されかつ円筒形の
中央開口部を有している。この中央開口部は抽出カートリッジ26、底部端に嵌
合する2つの出口用開口部、円筒形の側壁の開口部を受けかつ入口継手及びブリ
ーチプラグ32の外ねじ188と係合するように寸法決めされた内ねじを有する
頂部開口部を受けるように寸法決めされている。加熱ブロック22は良好な熱伝
導性のアルミニウムから製造されており、かつ圧力容器24を堅く受けるように
寸法決めされた円筒形の開口部を備えている。ブリーチプラグ32及び抽出カー
トリッジ組立体30は圧力容器24内で滑りばめで取り付けられている。ブリー
チプラグ32の外ねじ188は圧力容器24内に内ねじ200で係合している。
環状の自己作用の高圧シール202は封止面186と協働して大気から高圧超
臨界流体を封止する。そして、環状の高圧シール202から離隔した環状の低圧
シール204は、圧力容器24の内部と抽出カートリッジ組立体30の外部の間
の空間にある汚染した超臨界流体が超臨界流体源に逆流するのを防止する。これ
ら2つの環状のシール202及び204はそれらの間にドーナツ状の入口室を形
成し、この入口室内には流体入口42の出口が流体を導入するように伸長してい
る。汚染は抽出カートリッジ組立体30の外壁の指紋又は他の外来物質により生
じる。それで低圧シール204はかかる汚染を防止する。シール202,204
はバルーシール(Bal−Seal)のタイプ504MB−118−GFPであ
る。
超臨界状態の流体は流体入口42に供給されそして高圧シール202及び低圧
シール204の間の環状空間内を循環し、更に、圧力容器24と抽出カートリッ
ジ30内に2つの経路に沿って流動する。1つの経路は洗浄用、他の1つは抽出
用である。環状のスペーサ206がシール202及び204の間のドーナツ状開
口部にあり、これは半径方向貫通孔付きの砂時計の形状の断面を有し、入口の継
手42から流入する超臨界流体をスペーサ206の反対側へ分配し、そこからブ
リーチプラグ32にドリル加工された通路208へと流れる。
通路208はブリーチプラグ32の凹所180から半径方向に伸長し環状リン
グへ達する。この通路208は通路208の方向とは無関係に凹所と環状リング
間の流体に開放経路を与える。通路208は、入口継手42(内側)に対して非
制御の角度付きの位置に開口している。流体は入口継手42の出口と連通する砂
時計の形状をしたスペーサ206の内方へ湾曲した部分の一側部から、内方へ湾
曲した部分の他側へそしてそこから通路208へと流れる。
カートリッジとプラグの組立体26が図2に示されたように圧力容器24内へ
挿入される場合、ノブ34は回転されて、1インチ当り8ねじのコネクタを形成
するブリーチプラグ32の外ねじ188は圧力容器24の内ねじ200と係合し
、
ブリーチプラグ32をねじ込んでカートリッジとプラグの組立体26を圧力容器
24に取り付ける。底部蓋144の円錐形凹部210が継手アダプタ214の外
部円錐の先端部212に達すると、カートリッジとプラグの組立体26は更に下
方に移動するのが阻止される。
カートリッジとプラグの組立体26が底部に達した後更にブリーチプラグ32
をねじ込むことにより、継手ニップル176の上部の平坦な環状面が帽子状のワ
ッシャ216の平坦な下面に突き当る。この場合、帽子状のワッシャ216は、
ブリーチプラグ32の円筒形孔222にねじ止めされた肩部ねじ218の頭部の
上面と対向している。
更に、ブリーチプラグ32を圧力容器24内にねじ込むことにより、ニップル
176がねじの頭部から離れてワッシャ206を持ち上げて、環状面205とワ
ッシャ216の***部の間のコイルばね201を押圧する。ブリーチプラグ32
の圧力容器24へのねじ込みを続けることにより、ブリーチプラグ32の環状フ
ランジ190が圧力容器24の上面に突き当たる。このことは、図2に示す通り
コイルばね201の圧縮の限界位置を与える。
コイルばね201の圧縮力は帽子状のワッシャ216と継手ニップル176の
上部環状面203の間に低圧封止を提供するのに十分な力である。より重要なこ
とは、この力は、又、底部蓋144の凹所210の円錐面と継手アダプタ214
の外部の円錐状先端部212を組合せる際の低圧封止をも提供することである。
封止面186は最初の部分の挿入の間にパイロットとして作用し、内ねじ18
8が交差して噛み合っていないことを確認できる。円筒形の封止面186の端部
のテーパ189はブリーチプラグ32がシール202,204を通過するのを案
内することにより、ブリーチプラグ32の挿入中に損傷を与えることはない。
凹所224、通路208、高圧シール202及び係合するねじ188と200
の配置は、圧力容器24の内部に圧力が作用した時、ブリーチプラグ32が不意
に外れた場合、圧力容器24内の流体が高圧シール202を通って漏れかつ噛み
合った状態のねじ188と200を伝わって上昇し、そして装置の圧力を低下さ
せる一方、最大作動圧力で安全性を確保するに十分なねじ係合を保持するような
配置に選定される。図2に示す実施例の最大作動圧力は10,000psi(約7
03kg/cm2)である。最大作動温度は150度Cである。設備は、300度C
以上の作動温度で30,000psi(約2,110kg/cm2)以上の圧力に対して
設計する必要はない。
上述の通り、ブリーチプラグ32、カートリッジとプラグの組立体26が圧力
容器24内に組込まれた後、ただし抽出の前に、カートリッジとプラグの組立体
26と圧力容器24の間の空間は汚染物質が除去される。かかる除去又は洗浄サ
イクルの間、超臨界流体が流体入口42へ流入し、環状スペーサ206により分
配されそして通路208を通過する。超臨界状態の流体は帽子状ワッシャ216
の外径とブリーチプラグ32内の凹所の円筒形内径230の間を通る。次に流体
は流下し継手ニップル176の外径とブリーチプラグ32の凹所180の内径2
30の間の環状空間を通過する。次に流体は止めばね184を通過し、頂部蓋1
48の外側、抽出管152及び底部蓋144の周りを循環して円周状に分配する
。この流れは底部蓋144の下方で圧力容器24の底部240の上方の環状の空
間に集められて排出用継手44を介して流出しそれと共に汚染物質を運び去る。
抽出カートリッジの外側と圧力容器24の内側間の汚染した流体は抽出容器の
内側への通路を通ることはない。低圧シール204は汚染した流体が通路208
へ達するのを阻止する。継手ニップル176の大きい径と凹所180の内径23
0の間の狭い隙間及び帽子状ワッシャ216の内径と外径の間の狭い隙間からな
るラビリンスシールは、汚染物質が拡散して帽子状ワッシャ216の上方の空間
へ達するのを阻止する。
洗浄又は除去サイクルの間、これらの隙間を介して超臨界流体が下方へ流動し
、この隙間が小さい故に、下方への流動は汚染した流体の渦が、隙間を介して通
過するのを阻止する。これらの隙間はほんの数千分の一インチである。ニップル
176の頂部及び抽出カートリッジの底部の円錐形の凹所210はばね圧で封止
されているため、汚染物質はこれらの通路には入らない。
抽出に際しては、入口継手42から入る超臨界流体はスペーサリング206で
占められている空間に分配され、通路208を介して肩部のねじ218とワッシ
ャ216の内径の間の数千分の一の半径方向隙間を流下する。流体は更に流下を
続け通路250、多孔のフリット162を介して抽出されるべき物質を通過させ
る
抽出室254内に流動する。抽出室254は図4においてサンプルを受けるため
10cm3の体積で寸法決めされて図示されている。抽出室の流体を通過させた後
、流体はフリット160、通路260、継手アダプタ214及び継手46を介し
てサンプル収集装置へ排出される。
毛細管として設計された管を除き、この閉鎖室内にある全ての導管は外径1/
16インチ(約1.59mm)、内径0.02インチ(約0.51mm)の300シ
リーズステンレス鋼で製造されている。
組立完了後の作動において、ポート114(図1)を出る純粋流体のバルブ5
4(図1)と直接関連する流体の流れは、導管の近接した部分をら線状に巻付け
ることにより形成された熱交換器40を介し、チェックバルブ60A及び導管6
0Bを介して圧力容器24の入口継手42へと流動する。熱交換器40は、実際
は、加熱ブロック22を通る長い孔の中に存在するため、熱交換器は圧力容器2
4及び抽出管30と同じ温度である。熱交換器は入口継手42に流入する流体を
抽出カートリッジ組立体30とほぼ同じ温度に予め加熱する。この温度は流体の
臨界温度より高い温度である。ポンプ装置12が臨界圧よりも高い一定の流体圧
を発生するように設定されている場合、圧力容器24に入る流体は超臨界状態の
流体となる。
ティ20の位置で超臨界流体の圧力が一時的に低下した場合には、チェックバ
ルブ60Aが、二重系統の超臨界抽出装置の第1の系統の圧力容器24及び抽出
カートリッジ26からの超臨界流体の逆流を阻止する。かかる圧力変動は、第1
の系統が抽出している間に二重系統の抽出装置の第2の系統が突然洗浄された場
合に発生する。各系統はそのようなチェックバルブを必要とする。
洗浄サイクルの間、汚染された流体は継手44を離れ、管62を介して流動し
洗浄流体バルブ52の入口継手116に入る。次に、それは出口継手118から
流出し管64を介してカップリング90(図1)へ至る。カップリング90は水
晶の毛細管110を結合するため、汚染された洗浄ガスが流出する。毛細管の孔
は、75ミクロンのように十分に小さく、長さも数インチのオーダーと十分に長
く、適切な量に流れを限定するに十分な流体抵抗を与える。例えば、3,000
psi(211kg/cm2)の圧力ではポンプ装置12の変位量に対して5ミリリッ
トル/分である。ポンプ装置12は定圧力型ポンプであり、従って、流体の流動
は一旦流れが安定すると圧力容器24内の圧力には影響を受けない。
毛細管110の外端部は、収集装置として作用するイソプロピルアルコールの
ような適当な溶剤100を含んだ洗浄流体収集装置92(図1)の中に浸されて
いてもよい。この溶剤を通る泡は適切な流動を表わし、溶剤は毛細管110の端
部が排出された汚染物質により塞がれるのを防止する。溶剤は汚染物質を溶解す
るように当業者に公知の方法で選定されるため、毛細管110の端部は塞がれず
又、抽出カートリッジの外部に汚染物質があるかどうか決定することが望まれる
場合、溶剤を後で分析することが可能である。
抽出サイクルの間、抽出物は圧力容器24の継手46から流出して管66を通
過する。この管66は制御ノブ132に取り付けられた回転式制御軸126を有
する抽出バルブ50の入口継手120へと伸長している。抽出バルブ50が閉鎖
位置から反時計方向に回転して開放した時、流体はその継手122から流出し管
68を介して継手94へと流れる。継手94は水晶製毛細管128に接続されて
いる。
毛細管128は、定圧ポンプ12の変位に対して適切な量の流量を発生するに
十分な程度小さい50ミクロンの孔と、十分な程度長い数インチの長さを有して
いる。例えば、この場合2ミリリットル/分の流量である。毛細管128の端部
は抽出物質収集装置98の溶剤104内に浸されている。
イソプロピルアルコールはいくつかの条件の下で溶剤104に使用される。こ
の溶剤104は抽出物質に対して良好な溶剤でなければならない。溶剤は抽出物
質を通って泡立つガスから抽出物質を溶解することにより抽出物質を捕獲しなけ
ればならず又、毛細管128の端部での閉塞を防止しなければならないからであ
る。
溶剤104は抽出後取り除かれて、抽出物質の成分と量を決定するために分析
される。毛細管128(同様に毛細管110)の長さに沿う圧力及び温度の低下
により、超臨界流体(又は、継手90若しくは継手94が熱せられていない場合
には液体)は、室温の溶剤内に浸されている先端部に流体が達する時までに、ガ
スに変化している。
抽出装置10を使用する前に、ポンプ装置12は所望の圧力に設定されかつ加
熱要素22は所望の温度に設定される。フリット160付きの底部キャップ14
4(図2)は抽出管152の底部にねじ止めされている。内側凹部158は抽出
されるサンプルで充填され又は部分的に充填される。フリット162及び上部キ
ャップ174はカートリッジとプラグの組立体26を形成する抽出管152の上
面にねじ付けされる。
カートリッジとプラグの組立体26は、ブリーチプラグ32内に配置されたガ
ータばね184を通る抽出カートリッジの継手ニップル176をねじ込むことに
よりブリーチプラグ32内に結合される。ノブ70はバルブ54を閉鎖しバルブ
52を開放する排出位置(図1)に設定される。バルブ124は時計回り方向(
閉鎖)の位置に設定される。
組立てられたブリーチプラグと抽出カートリッジは予熱された圧力容器22内
へ挿入されて、環状フランジ190が圧力容器24の上面と接触するまで圧力容
器24の中へノブ34により手動でねじ込まれる(図4)。圧力容器は熱電対式
温度調節装置360の制御の下で所望の温度まで予熱される。カートリッジとプ
ラグの組立体26は圧力容器24内で必要な温度まで急速に上昇する。
カートリッジとプラグの組立体26をサンプルブロック24内へ挿入した後、
バルブノブ70は洗浄位置に回転される。この位置では、両バルブ54及び52
は開放される。ポンプ装置12は所望の流体圧力に既に設定されているので、流
体は管76,56、バルブ54、管58、熱交換器40、管60、チェックバル
ブ60A,60B及び入口継手42を介して凹所180(図4)内へ流れる。バ
ルブ124は閉鎖されているので、熱交換器40により適切な温度に予熱された
超臨界流体は帽子状ワッシャ216、継手ニップル176を通過しカートリッジ
とプラグの組立体26の外側を周って流動する。この超臨界流体は抽出カートリ
ッジ組立体30の外側の汚染物質及び圧力容器24の内側の汚染物質を溶解する
。高温の超臨界流体によっても、抽出カートリッジ組立体30が適当な作動温度
にあることが保証される。超臨界流体は継手44から、管62、バルブ52、管
64、継手92及び毛細管110を通って汚染物質を洗い流す。
短時間の洗浄サイクルの後、制御ノブ70は抽出位置に設定される。このこと
により、バルブ54が開放されかつバルブ52が閉鎖するように設定される。か
かる設定を行った直後に、操作員が抽出方向に反時計回りにノブ132を回転す
ることによりバルブ124が開放される。圧力がかかった流体は所望の超臨界温
度になるようにバルブ54を介して熱交換器40内に入り、入口継手42へと流
れる。流体は次に凹所180内へ入り、ねじ218及び帽子状ワッシャ216の
内径の間の環状空間を通り、その後、継手ニップル176の内部と、通路250
とを介して圧力容器と流体抽出装置の組立体26へと流動する。抽出カートリッ
ジの内部サンプル用凹所254(図2)を介して流れる超臨界流体は凹所254
内に収容されているサンプル134から分析物質を抽出する。
溶液中の分析物質を伴う超臨界流体は、継手46、管66、バルブ124、管
68、カップリング94及び試験管98内の収集用溶剤104の中に導入する毛
細管128を介して流出する。分析物質は後で分析するために溶剤104で溶解
される。抽出が完了した時、ノブ132は閉鎖位置へ時計回り方向へ回転される
。このことにより、バルブ124が閉鎖されて、超臨界流体の抽出カートリッジ
26への流入が停止する。ノブ70は、次に、排出位置に時計回り方向に回転さ
れる。このことにより、バルブ54が閉鎖しかつバルブ52が開放して、圧力容
器24及びカートリッジとプラグの組立体26が毛細管110を介して圧力降下
する。
毛細管110の端部を介して発生する泡が止った時、圧力降下が完了する。ノ
ブ34は反時計回り方向に回転されて圧力容器24からブリーチプラグ32及び
カートリッジとプラグの組立体26を取り外す。抽出カートリッジ組立体30は
空の用済みサンプルへ開放する。
図3は、超臨界流体抽出装置の他の実施例10Aの簡単化した斜視図であり、
この実施例では、下部部分に駆動部(図示しない)を収容するキャビネット40
0、キャビネットの上部部分の抽出部(図示しない)、サンプル注入部406及
び断片(fraction)収集部408が備っている。超臨界流体抽出装置1
0Aは、キャビネット400の前方のパネル410から制御され、そして駆動部
は抽出部、サンプル注入部406、及び断片収集部408を操作する。断片収集
部408は複数のサンプルを連続的に抽出しかつ操作員が最少限介在することに
より別々の容器内のサンプルから抽出物質を収集するように協働する。
本実施例10Aの液体抽出装置は図1の実施例と同様な方法で作動するが、新
規なサンプル注入装置及び断片収集装置と協働するようになされている。この機
構において、抽出されるべき一連のサンプルはサンプルを保持する手段内に予め
位置決めされており、又、このサンプルは一時に1つの抽出装置の中へ自動的に
注入される。抽出装置において、超臨界状態の流体がサンプルへ供給されそして
抽出物質は1つずつサンプルから取り除かれる。実施例10と実施例10Aとを
相互に関係づけるために、同じ部品は同じ符号を付しているが、実施例10Aで
は符号に「A」を付している。
抽出物質は断片収集部の個別の容器又は1つの容器の個別の隔室へ供給される
。従って、手動によりサンプルを供給する必要性又は個別のサンプル用の超臨界
流体の流れを生じさせる必要性もなく、複数の異った予め位置決めされたサンプ
ルについて複数の抽出を行うことができる。これらのサンプルは操作員により個
別に物理的に注入される代りに、自動的に機械的に1つずつ抽出装置へ移動され
る。
キャビネット400は傾斜角の付いた制御パネル410を有するほぼ直方体の
形状をした底部部分412と直立する上部部分414を有している。上部部分4
14は上方に伸長する別の直方体の形状であり、補充ポンプ等の継手及びファン
を収容可能な共通の背面部分又は後部パネル416を有するほぼL字形の外形を
している。流体接続具420が一端から伸長しほぼ超臨界状態の流体をキャビネ
ット400へ導入することを可能とする。L形キャビネット400は制御装置を
使用するに便利な傾斜角度付きの前面パネル410と、注入されるサンプル及び
収集された抽出物質を取り扱うための「L」形の足部上の上面とを有している。
キャビネット400の内部へ接近可能とするため、上部部分414は、上方に
枢動できるように頂部にヒンジ426を有するヒンジ付き前面開放パネル422
を備えている。パネル422はその底部近傍に開口部424を備えていて比較的
高い断片収集受容器の搬入を可能とする。開口部424は、キャビネット400
の下部部分412の頂面から十分な距離だけ離れた点まで下方に伸長しサンプル
注入装置及び断片収集器で使用される通常の受容器の搬入を可能とする。
サンプル注入部406は、相互に垂直方向に離間した上部及び下部回転板43
2,434の形状をしたサンプルリール430と、上部回転板432の収容孔と
、垂直方向長軸線及び開口端を有する円筒状管スリーブ436を受ける下部回転
板434の開口部とを備えている。上部開口端438は、サンプルリール430
が抽出装置の方へ回転する時、サンプルを受け入れかつ取り除くことを可能にす
る。
かかる機構において、サンプルリール430は回転してサンプルを1つずつ抽
出装置へと移動させ処理する。サンプルリール430は水平でありかつキャビネ
ット400の上部部分414内へ伸び更に抽出装置内へと伸長し、そしてサンプ
ルリール430の回転の垂直軸線は上部部分414の外側にあるため、使用者が
多数のスリーブ436に容易に接近することが可能となり、更に、自動装置によ
り抽出装置内への連続的な回転が可能となる。好適な実施例では、異ったサンプ
ルを個別に収容する24個のスリーブを備え、それらは、人間の手をわずらわす
ことなく、抽出装置へ移動される。
抽出物質を受けるため、断片収集部408は、サンプルリール430と同心状
に装着されているが、サンプルリール430の内径より小さい径を有する水平な
断片収集リール440を備え、このリール440は、断片収集リール440の上
部板446の周辺に相互に離間して円形に配列された複数の開口部442を有し
、かつ断片収集リール440が上昇されてキャビネットから取り外されることを
可能にするノブ444を中心部に有する。かかる機構において、断片収集リール
440は、ヒンジ付きのパネル422がヒンジ426の周りに上方に枢動した後
、上昇されかつ取り除かれるか又は再度挿入される。
断片収集リール440が所定の位置にある場合、リール440は1個又はそれ
以上の個別の容器442が抽出物質を受け入れることが可能な位置へ開口部42
4を通って自動的に回転される。断片収集リール440はサンプルリール430
と交互にかつサンプルリールとは独立して移動され、従って、サンプルを注入し
抽出した後、他のサンプル抽出のための注入を行う前に、1個又はそれ以上の開
口部442が、抽出物質を受ける位置に移動される。
リール430及び440は、キャビネット400の周縁部外側の一部と共に、
キャビネット400の上部部分414内で回転するため、収集された抽出物質は
取り除かれて装置の操作中に新しいサンプルが追加される。この目的のため、断
片用受容器及びサンプル用受容器は上方に開放した端部を有しかつその軸心が垂
直状態で装着されている。
図4は、キャビネット400、キャビネット400内の駆動部402、抽出部
404、サンプル注入部406及び断片収集部408を示す図3の4−4線を通
る長手方向断面図である。駆動部402は、制御装置450、サンプル及び抽出
物質収納容器のリール駆動機構452、サンプル注入装置駆動部454及び流体
駆動部又はポンプ装置456を備えている。制御装置450は制御パネル410
からの情報を受け又、ケーブル458を介して制御パネル410へ情報を伝達す
る。それは、更に、ポンプ装置456、サンプル及び抽出物質収納容器リール駆
動機構452及びサンプル注入装置駆動部454を制御し、これらは協働してサ
ンプルを所定の位置へ移動させ、抽出装置内へサンプルを注入し、流体を抽出装
置を介して圧送してサンプルを抽出しかつサンプルを1つずつ連続して収集する
。
サンプルを注入部404へ注入するため、サンプル注入部406は、サンプル
及び抽出物質収納容器リール駆動機構452、サンプルリール機構430、及び
カートリッジ注入装置機構460を備えている。サンプル及び抽出物質収納容器
リール駆動機構452はサンプルリール機構430を駆動してカートリッジ組立
体30Aをカートリッジ注入機構460の上に運ぶ。このカートリッジ注入機構
460はカートリッジ組立体をサンプル注入駆動部454の制御の下で上方に圧
力容器24A内へ持ち上げて、カートリッジ組立体30A内のサンプルを抽出す
る。カートリッジ組立体30A及び圧力容器24Aは図1乃至14の実施例のカ
ートリッジ組立体30と圧力容器24と同様のものであり、これらは、反転され
る頂部側と底部側を有することにより、カートリッジ組立体30Aが底部から圧
力容器24A内へ挿入されてその中で抽出のために容易に封止され、抽出後重力
により取り除かれることを可能とするようになされている。
サンプルリール機構430を駆動するため、サンプル及び抽出物質収納容器リ
ール駆動機構452は中央の伝達機構及び各側にモータを備えている。モータは
制御装置450の制御の下に伝達機構を駆動して、サンプル注入リール機構43
0及び断片収集リール440のいずれか一方又は双方を駆動する。
サンプル注入リール機構430は、上部プレート432、下部プレート434
を備え、それら双方はいずれも回転可能であり、一時に、複数のスリーブ436
を連続的に、圧力容器24A内で1個ずつカートリッジの注入を繰り返す位置へ
運ぶ。この位置で、カートリッジは圧力容器24Aから取り除かれかつ1個ずつ
リール機構430へ戻される。従って一時にただ1個のカートリッジのみが圧力
容器24Aに存在することとなる。
抽出部404では、静止した下部プレート462が1個の孔464を有してい
る。この孔464は圧力容器24Aの開放した下端及びカートリッジ注入機構4
60の上端と整合している。その結果、30Aのようなカートリッジ組立体は、
下部プレート462の開放端464上で1個ずつ回転されて、サンプルの抽出の
ために、サンプル注入装置駆動部454の制御の下でカートリッジ注入機構46
0により圧力容器24A内へ上方へ移動される。かかる機構において、カートリ
ッジ組立体30Aが上部及び下部プレート432,434により回転される場合
、静止した下部プレート462が、所定の位置にそれらカートリッジ組立体30
Aを保持する間、カートリッジ組立体30Aは開口464の上から上昇用静止プ
レート462を介して圧力容器24Aへ連続的に移動される。
圧力容器24A内へカートリッジを注入するため、カートリッジ注入機構46
0は、サンプル注入装置駆動部454、ピニオン470、歯車472、多条ねじ
、ナット474、対応するねじ476、及びピストン又はプラグ32Aを備えて
いる。ピニオン470は駆動ギヤモータ454の出力軸に装着されていて歯車4
72の歯と噛合う。歯車472は動力ナット474に締付けられるか、又はそれ
と一体となっている。動力ナットは、回転する場合、ねじ476を上方又は下方
に移動させる。支持プラットフォーム475、ピストン又はプラグ32A及びサ
ンプル容器30Aはねじ476の頂部により担持されていて上方及び下方へ移動
する。ねじ476により下方位置に支持されているプラグ32Aの上面は、固定
プレート462の開口部464の底部と面一となっていて、30Aのようなカー
トリッジを中に支持しかつ最上位置では、ピストン又はプラグ32Aを圧力容器
24Aの底部に位置決めする。プラグ32Aはバル−シール(Bal−Seal
)会社により製造されている自己作動式のばねで付勢されたシリンダシールを担
持する。これらのシールは、プラグ32Aと圧力容器24Aの内壁の間に高圧の
耐
流体性の封止を提供する。
かかる機構において、カートリッジ組立体30Aを上方へ圧力容器24Aへ移
動させた後、抽出過程の間、ピストン又はプラグ32Aは、圧力容器24Aの壁
部を封止可能であり、そして注出後、新しいカートリッジが圧力容器24A内に
注入される位置に移動された時、カートリッジ組立体30Aをサンプルリール機
構430の方へ下方へ復帰させて上部注入ハウジング414から外方へ回転させ
る。ベアリング取付台は同じ垂直位置に維持しながらナットを回転可能に支持し
、従ってナットは急速進行ねじ又は他のねじ476を上方又は下方に移動させる
。
プラグ32Aは図1乃至14の実施例のブリーチプラグ32と同様な機能を行
い、中にばね201A及び支持ブロック482を支持する開口部を収容すること
により、サポートブロック482はカートリッジ端部148Aに対して内方に付
勢力を与えてカートリッジ30Aを超臨界流体用の継手に抗して所定の位置に移
動させる。
カートリッジ30Aが所定位置に移動されブリーチプラグ32Aがシール位置
に固定された後、カートリッジ30Aのサンプルを抽出するため、超臨界流体を
図1の実施例と同じ方法で入口継手42Aを介して流動させる。従って、抽出流
体はカートリッジ30Aへの1つの経路を通りかつカートリッジ30Aの外側の
別の経路を通って継手44Aへ流れ、そこから洗浄用収集装置又は排出口へ流れ
る。抽出物質はカートリッジ及びサンプルを通過した後、継手46Aから流出し
後述する方法でサンプル収集装置へ流動する。
二酸化炭素のような流体を超臨界抽出に適した温度で圧力容器24Aへ送り込
むため、(1)ポンプ456はポンプヘッド490と電動モータ492を備え、
(2)圧力容器24Aはその上にアルミニウムの加熱ブロック22Aと、アルミ
ニウムの加熱ブロック内の開口部278Aと、開口部278Aのロッド状の加熱
要素274Aと、抽出流体用管の継手42A及び開口部270Aでアルミニウム
の加熱ブロック22Aに入る熱交換器40Aとを有している。モータ492はポ
ンプ機構490を駆動して流体を開口部270Aへ送り、開口部270A内の熱
交換器40A、接続管60A及び入口継手42Aを介してカートリッジ30A及
び圧力容器24Aへ送り込む。アルミニウムブロック22Aは、二酸化炭素又は
他の有用な抽出流体の温度を制御し、かつ流体及び目的に対応して抽出流体超臨
界温度以上に維持する一方、開口部278A内の加熱ロッド274Aはアルミニ
ウムブロック22Aの加熱が必要な時使用される。
ポンプ456は適当なポンプでもよいが、二酸化炭素に適したポンプは、ネブ
ラスカ州,リンカーンのイスコ(Isco)社により購売されている、イスコモ
デル2350HPLCポンピングシステムである。しかしながら、二酸化炭素を
使用する場合の最も良好な結果は、ポンプのストロークが10mmから15mmに修
正されかつ、小型の低いトラップボリュームのチェックバルブが使用されている
。かかる修正はポンプの圧縮比を1.7:1から2.6:1に増大させ、そして
変形が1.5倍に増大する。更に付加的な修正は、良好な温度伝達のために、3
16ステンレス鋼の代りに、カーペンターテクノロジー(Carpenter
Technologies)社の182FMステンレス鋼をポンプヘッドに使用
することである。
抽出物質を収集するために、断片収集部408は、断片収集リール440、サ
ンプル及び抽出物質収納容器リール駆動機構452、洗浄流体出口装置520及
び抽出物質流体出口装置522を備えている。断片収集リール440は、98A
のような受容器をハウジング414の所定の位置へ移動させる。ここにおいて、
後述する抽出物質の流体出口装置522は、圧力容器24Aの継手46Aからの
流体を、受容器98のシールを貫いた後受容器から外へ又は受容器の中へ流動さ
せる。洗浄流体装置520は、洗浄流体を洗浄流体用の継手44Aから圧力制御
ユニットへ流動させて、最終的に排出ユニット又は収集ユニットへ流動させる。
収集用の受容器98Aを所定の位置に移動するため、断片収集リール440は
、ノブ444、中間プレート448、上部プレート446、下部円盤プレート5
30及び駆動ロッド532を備えている。駆動ロッド532は固定の円盤プレー
ト530内で回転しかつその上部で上部プレート446、下部プレート448を
担持する。上部プレート446及び下部プレート448はそれらを貫通する円周
方向に間隔を置いて設けられた孔と整合し、その各々は98Aのような収集びん
を受ける。下部円盤プレート530は孔を有さず、又移動する場合は、プレート
を支持する。ノブ444は、ヒンジ付きの前面開放パネルがヒンジ426の周り
に
回転して開いた後断片収集リール440をサンプル注入リール430から持ち上
げるのに使用することができる。
サンプル及び抽出物質収納容器リール駆動機構452は収集びんを1つずつハ
ウジング414の上方部分の内側へ移動して抽出物質を受ける。1個又はそれ以
上の受容器98Aが適宜所定の位置に移動されてサンプルカートリッジ30Aが
抽出される。受容器98Aは、サンプルカートリッジ30Aと共に交互に移動さ
れる。但しいくつかの受容器98Aは、圧力容器24Aへ向ってサンプルカート
リッジ30Aの1つが動いている間に移動してもよいし、又はサンプルカートリ
ッジが圧力容器24Aから離れる時に移動してもよい。抽出物質は継手46Aを
介して後述の方法で断片収集用の受容器98Aへと流動する。
洗浄管用の継手44Aはカートリッジ30A内の抽出室と連通しておりそして
管62Aを介してティ継手542へ連結される。ティ継手542の第2のアーム
は12,500psi(約880kg/cm2)で噴出するように目盛り付けされた過圧
防止安全ダイヤフラム540に連結されている。これは、圧力容器24Aに対し
て10,000psi(約703kg/cm2)の最大作動圧力を超過するものである。
ティ継手542の別のアームは洗浄バルブ52Aへ連結されている。洗浄バルブ
52Aの他側は管64Aを通って第2のティ継手544の第1の側へ連結されて
いる。ティ継手544の第2の側は管548を通って外側の排出ポート546へ
連結されている。ティ継手544の第3のアームは断片収集びんとしてのサンプ
ル受容器98Aを排出する排出管110Aへ連結されている。このような機構に
おいて、継手44Aを介して流れる洗浄流体は除去され、そして排出ポート54
6へ連結される管は、後述する方法でサンプルの受容器98Aを排出するのにも
使用される。
図5は、図4の5−5線を通る超臨界流体抽出装置の実施例10Aの簡略化し
た正面断面図であり、サンプル及び抽出物質収納容器リール駆動機構452と、
ポンプ456と、抽出物質流体出口装置522とを有している。リール駆動機構
452は、制御装置450(図4)の制御の下でサンプルリール430又は断片
収集リール440のいずれかを選択的に移動させる。
断片収集リール440を選択的に駆動するために、サンプル及び抽出物質収納
容器リール駆動機構452は、断片収集用軸532、管状の軸580、カサ歯車
582、カサ歯車584、及びギヤモータ586を備えている。制御装置450
は、断片収集リール440を回転するようにギヤモータ586を制御する。かか
る目的のため、軸532は管状の軸580で保持されている。カサ歯車582は
軸532の端部で締結されておりかつギヤモータ586のカサ歯車584と噛合
っている。制御装置450はこれらの歯車を噛合い位置に移動しかつモータ58
6をしてその出力軸を回転させ、収集リール440(図3及び4)を駆動するが
サンプル注入リール430(図3及び4)を駆動しない。
サンプル注入リール430を移動するために、サンプル及び抽出物質収納容器
リール駆動機構452は、ベアリングブロック590で支持された管状の軸58
0と、断片収集用軸532と、カサ歯車588と、カサ歯車592と、ギヤモー
タ594を備えている。制御装置450はカサ歯車592を回転させるようにギ
ヤモータ594を作動させる。カサ歯車592は、断片収集用軸532の下端に
取り付けられたカサ歯車と噛合っている。
抽出物質を断片収集びんとしての受容器98Aに流入させるように、抽出物質
の流体出口装置522は、ギヤモータ552、ピニオン554、歯車556、リ
ードねじ558、アーム560、リストリクタ管66Aを備えている。受容器9
8Aは頂部に貫通することができるシール部550を有している。
シール550を貫通して抽出物質を受容器98Aの中に流入させるために、制
御装置450はギヤモータ552を始動させる。ギヤモータ552は歯車556
と係合するピニオン554を回転させる。ピニオン554は歯車556を回転さ
せ、歯車556は回転するリードねじ558と係合しかつそれに締結されている
。アーム560はリードねじ558で移動可能に装着されており、リードねじ5
58を所定の位置まで下降させる。この位置において、リストリクタ管66Aは
、受容器98Aの蓋550を貫通して受容器内の収集流体の表面564の下方に
その先端を移動させる。抽出物質がリストリクタ管66A内に流入した時、排出
物が管66Aから排出管110A(図4及び5)を介して取り除かれる。
管66A又は管110Aのいずれか一方が剛性を有し又は曲げにくい場合、受
容器98A内に管66A,110Aを下降させる代りに受容器98Aを管66A
及び110Aまで上昇させるとよい。受容器98Aをプラグ32Aと同様な支持
で上昇させることができるので、代案の機構は困難なことではない。この支持は
直接プラグ32Aに連結されているためプラグ32Aと同期して移動する。
いずれの機構においても、抽出物質は、継手46A(図4)を介して流動し、
サンプルカータトリッジ30A(図4)から管522(図4)、バルブ50A及
びリストリクタ管66Aを介して流動する。管66Aからの泡の中に存在する抽
出物質はトラップ流体104Aを介して捕獲され、それにより、抽出物質は受容
器98A内のトラップ流体104中に拘束され、そして抽出流体は排出管110
A、ティ継手544(図4)、管66A及び排出ポート546(図4)を介して
流出する。抽出物質の収集後、モータ552は反転方向に移動してアーム560
を上昇させ、アーム560はリストリクタ管66A及び排出管110Aを受容器
98Aから移動させる。
ポンプヘッド490は高圧で作動することにより熱が発生するため、ポンプヘ
ッド490及び流入する流体ラインは冷却されるのが好ましい。好適実施例では
、これらは熱電気的(ペルチエ効果)に冷却されていて、ポンプヘッド490、
入口チェックバルブハウジング494は温度伝導性を増加するため316型ステ
ンレス鋼よりもむしろカーペンタ182FMステンレス鋼で製造される。
ポンプ作動において、ポンプの駆動モータ492(図4)は、カムハウジング
495内のカムを歯車ハウジング496内の適当な歯車列を通して駆動する。カ
ムハウジング495内で回転するカムはポンプのプランジャを作動する。このプ
ランジャはポンプヘッド490(図5)と協働して液状の二酸化炭素を入口チェ
ックバルブ組立体494を介して引き込み、そして出口チェックバルブ組立体4
36を介して吐出する。一実施例では、ペルチエ冷却プレート500は、ポンプ
ヘッド490(図5)の平坦面に装着され、ペルチエ冷却プレート500の反対
側に良好な熱接触を与えるために装着された冷却フィン502を有している。
電流が適当な方向へペルチエ冷却プレート500を介して流れた時、熱はポン
プヘッド490(図5)から引き出されそして冷却フィン502へ排熱される。
電動モータ493(図4)により駆動されるファン504はフィン502から熱
を引き出す。他のペルチエ効果で冷却される熱交換器も入口ラインで使用される
。
モータ492(図4)の速度を制御するため、タコメータホイール505がモ
ータ492の軸に装着され、一方該ホイールの状態を読み取る信号を与えるため
光電式タコメータセンサ510が装着されている。光電式タコメータ510から
の信号はモータ492の速度、従ってポンプ456の作動速度を表示する。これ
らの信号は制御装置450で比較されてモータ492の速度を制御するために有
用である。
ポンプからの出口ライン512の圧力を制御するため、圧力変換器514(図
6)は圧力を表示する信号を発生させる。この信号は、ポンプの速度を制御する
フィードバック信号として使用される。この構成はイスコ社のモデル260Dポ
ンプのようなポンプで与えられる。
図6において、図4の6−6線を通る、一部簡略化した断面図が示されており
、圧力容器24Aに入るプラク32Aを固定する固定機構614と、抽出流体を
制御する制御機構616とが示されている。本図に好適に示されている通り、固
定機構614は、ギヤモータ600、ピニオン602、ラック604、固定ピン
606、圧力容器24Aの孔609、ピストン又はエンドピース又はブリーチプ
ラグ32Aの孔610、及び圧力容器24Aの他側を貫通する孔612を備えて
いる。ピン606の代りに、ウィンチェスタ94ライフルの固定機構として従来
から使用されている型式のヨークも使用することができる。この型式の固定機構
は図6に示されるようなピニオン602及びラック604に装着されたヨークで
ある。かかる機構において、ヨークを形成するように切欠されたスロットを有す
るプレートが、ラック及びピニオンにより移動されてプラグ32Aの下を通過し
圧力に抗してプラグ32Aを保持し、そして圧力容器24Aのスロットと係合す
ることにより、それらの間に強い支持を与える。前述のプレートのスロットはね
じ476のための間隙を提供する。
作用について説明すると、ギヤモータ600は、制御装置450(図4)によ
り、圧力容器24Aの開口部609を通り、ピストン32Aの開口部610を通
りそしてピニオン602を回転させて圧力容器24Aの開口部612を通る固定
ピン606を駆動させ、固定ピン606を担持するラック604を駆動する。し
かして、圧力容器24A内の所定の位置にカートリッジ30A(図4)が固定さ
れる。
ポンプ12(図1)から圧力容器24A及びカートリッジ30Aに入る抽出流
体の流れを制御するため、抽出流体を制御する機構は、ギヤモータ570、ライ
ン512から伸長している導管58Aに一端が連結されたバルブ54A、及び熱
交換器40(図1)内へ通じる導管58へ接続する圧力変換器514を備えてい
る。作動時には、ギヤモータ570は制御装置450の制御の下でバルブ54A
を開放し、抽出操作の間、カートリッジ30A及び圧力容器24Aへ入る抽出流
体の流動を可能にする。抽出が完了してバルブ54Aを閉鎖した後、ギヤモータ
は反対方向へ回転する。
サンプルカートリッジ30A(図4)は管状のスリーブ又は本体部分140A
(図4)とエンドピース144A及び464A(図4)からなる。エンドピース
144A及び464Aはステンレス鋼又は不活用のプラスチックで製造されかつ
それぞれの内部に中心決めされたステンレス鋼製のフリット又はフィルタディス
クを担持する。管状のスリーブ140Aの平坦な狭い両端部はフリットの周りを
PTFEワッシャと当接して封止する。このフリットは、フィルタディスクの直
径とエンドピース144A又は464Aのそれぞれの内径との間の位置で、エン
ドピースと当接して封止する。
図7において、本発明の実施例に使用することのできるバルブ54Aの断面図
が示されている。このバルブ54Aは本体1001、雌側継手部1002及び1
003、ボール弁組立部702及びバルブステム組立部700を有している。雌
側継手部1003はポンプ装置12(図1)と連通してポンプ装置からの超臨界
状態の流体を受入れるようになされ、そして雌側継手部1002は圧力容器と流
体抽出装置の組立体18と連通するようにされている。該継手部1002,10
03は、各々がボール弁組立部702を介して相互に連通している。
バルブステム組立部700は1つの位置で閉鎖されたボール組立部702を保
持するように位置決めされているため、継手部1003と継手部1002の間の
流れを遮断し、他の位置でボール弁組立体702を解除する。それ故、流体はポ
ンプ装置12(図1)からバルブ54Aを介して圧力容器と流体抽出装置組立体
18(図1)内へ流れる。
ボール弁組立部702は、流路1006,1007,1008,1009及び
1010、弁座1013、弁体1014、及び凹部1015を備えている。弁座
1013は雌側円錐部として最初に加工される。弁体1014は球状であり、弁
体が弁座1013に押圧された時バルブが堅く閉鎖されるように弁座に合致し、
それによりシールを形成する。バルブが開放された場合、弁体1014は座から
持ち上げられて継手部1002と1003の間を連通させる。
この目的のため、弁座1013は、バルブ出口としてのバルブの底部の流路1
008を介しかつそれに続くより大きな流路1007及び1006を介して入口
側の継手部1003と連通し、弁体1014を持ち上げることが可能な弁座直下
の流体を受け入れる。凹部1015は弁体の上に設けられていて、弁体1014
が持ち上げられた時流路1008と連通するが、弁体が最下部に位置している時
は流路1008とは封止される。凹部1015は、それに続くより大きな流路1
009及び1010を介して出口側の継手部1002と連通して、弁体1014
がバルブステム組立体700により凹部1015内に持ち上げられた時、流体が
雌側継手部1003から雌側継手部1002を通って流動することを可能とする
。
弁体1014はその表面が硬化されており弁座1013よりも高い降伏点を有
していなければならず、更に、その表面が弁座1013の少くとも3倍の硬さが
なければならない。弁体が弁座1013から持ち上げられた場合でも回体しそし
てバルブ54Aがバルブステム組立体700により閉鎖された場合弁座1013
にステムにより押圧されるように完全な球形を保持しなければならないため、弁
体は少くとも20,000psi(約1,406kg/cm2)の弁座の3倍以上の降伏
点を有しなければならない。弁体1014は弁座の比較的大きな領域を形成して
十分な封止部を形成するためヘルツ線接触をするものでなければならない。
弁座1013はバルブ本体1001と同じ材質で形成されており少くとも20
,000psi(約1,406kg/cm2)の降伏強度を有し、約85,000psi(
約5,976kg/cm2)のものが好ましい。弁座は316ステンレス鋼の棒鋼で
製造されて面積が20パーセント減少する冷間成形により約85,000psi(
約5,976kg/cm2)の降伏強度にまで硬化される。かかる成形法において、
バルブ自体及び本体1001は1 1/8インチ平方(約7.26cm2)につき
1/2イ
ンチ(12.7mm)厚さだけ小さい。好ましい実施例において、弁体1014は
弁座1013の約8倍の硬さがあり、従って、弁体1014が変形するよりもむ
しろ弁座1013が変形することにより弁体1014と嵌合する。この明細書に
おいて、硬さとは圧縮降伏点を意味し、例えば、硬さが8倍という表現は降伏点
が8倍高いことを意味する。本実施例では表面を硬化するよりも材料全体にわた
り硬化されているので、表面硬度は降伏点に比例する。弁体1014は弁座より
もかなり硬化されているので、1回又は何回かのバルブの密閉により弁体が弁座
に押圧されて、弁座は弁体の球面に一致する形状となる。弁体は非常に硬いので
変形しない。
十分に強い弁体1014を形成するため、弁体は窒化珪素で形成されている。
単結晶のサファイアの球及び多結晶のアルミニウムオキサイドセラミックの球の
ようなもろい球は、一般的に好ましくなく、回転しながら弁座から持ち上げられ
る時、漏洩がなくこすりや破損に対する抵抗性を有して弁座のシールを可能にす
るという最も有益な硬化の特性を備えていない。
弁体1014は、直径が1/8インチ(約3.18mm)であり、100マイク
ロインチ(約0.025mm)の直径公差と16マイクロインチ(約0.004mm
)の球形公差で形成されている。緊密な球形公差が好ましい。これは、バルブ1
5Aが開放される時予測できない理由により弁体が回転した後、弁体1014の
接触圧又は押圧力により316ステンレス鋼のコールドフロー(cold fl
ow)により円錐形の弁座1013に重ね合ったシール面が継続して弁体101
4の表面と合致するからである。接触面におけるかかる形状の一致により、バル
ブ54Aが閉鎖した時漏洩を防止する。本実施例では、膠結されたタングステン
カーバイドの弁体1014は550,000psi(約38,665kg/cm2)の硬
度を有する。
バルブ54Aを通る流体を導く継手部は後述する方法で雌側継手部1002と
1003にねじ付けされる。雌側継手部1002及び1003のテーパ状又は円
錐状の部分は、それぞれ1011及び1005で示されている。これらは、封止
用フェルールを受けて通路1010及び1006のフェルールから突出している
接続管を封止する。内ねじはそれぞれ1012及び1004に図示されており、
対応する雄側継手部の外ねじと係合する。
バルブステム組立体700は、外側ステム1030、内側ステム1027、硬
い摩擦防止装置1035、捕捉要素1034、ばね1016、段付ブッシュ10
22、及びねじ付ブッシュ1045を備えている。外側ステム1030はねじ付
ブッシュ1045内でねじ付ブッシュ1045の内ねじと係合する外側ステム1
030の外ねじと回転可能に嵌合する。
外側ステム1030の下部は捕捉要素1034が形成されており、この要素は
内側ステム1027の上部を保持する。内側ステム1027の上端と外側ステム
1030の間には摩擦防止装置1035が配設されており、これは、比較的小さ
い部分で内側ステムと接触し、かつ広い領域で外側ステム1030の上部と接触
して内側ステム1027を下方に押圧可能に連結するが逆に外側ステム1030
と内側ステム1027の間の回転力は伝達しない。ばね1016は内側のパッキ
ング支持体を上方に付勢し、ステム1027に対してワッシャ状のパッキング1
018を押圧する。内側ステム1027は段付ブッシュ1022内で上方及び下
方運動するように支持されている。かかる構成において、外側ステム1030の
回転によりステム1030はねじ付ブッシュ1045内で下方に移動して、摩擦
防止装置1035が内側ステム1027を堅く嵌合されたパッキング1018を
介して下方へ押圧される。内側ステム1027が下方へ移動するにつれて、それ
は弁体1014を弁座1013に押圧し、そして上方へ移動する時、弁体101
4を解放する。円錐形の座1013の大きい方の開口部は直径が十分大きく、凹
部1019は直径が十分に小さいため、弁体(以下球と呼ぶ)1014がステム
1027の面1023により押圧された場合、球は弁座の大きい方の開口部から
外方へ向って流動する流体に無関係にかつ重力に関してバルブの方向付けに無関
係に弁座の方へ移動する。
空洞部1015の上方には、大きな1/4インチ(約6.35mm)径の円筒状
凹部1019がある。この凹部1019には、高度に加工硬化された302ステ
ンレス鋼(関連するスプリング社の部品番号B−0250−013−S)で製造
されたベルビーレ(Bell ville)型ステンレス鋼製ばね1016、ワ
ッシャの形状のパッキング支持ワッシャ1017及び半硬化されたパッキング又
は
シール1018が配設されている。ベルビーレ型のばね1016は1/4インチ
(約6.35mm)径の凹部1019内に緩く嵌合するように寸法決めされかつ1
/4インチ(約6.35mm)径の内側ステム1027の周囲と緩く嵌合している
。このばね1016は、パッキング支持ワッシャ1017を上方へ押圧しかつ凹
部1019の壁を下方に押圧する。パッキング支持ワッシャ1017はアームコ
社のニクロニック(Nicronic)R60ステンレス鋼製のものであって、
内側ステム1027と接触しながら移動することによる摩耗を防ぐ。環状の半硬
化シール1018がパッキング支持ワッシャ1017と段付ブッシュ1021の
底部の間に位置決めされている。このシール1018は、凹部1019の円筒壁
と封止状態で嵌合するように寸法決めされかつ1/8インチ(約3.18mm)直
径の内側ステム1027の周囲と封止状態で嵌合するように寸法決めされた中央
孔を有する円環状の形状をしている。
半硬化ステムシール1018はデュポン社のベスペル(Vespel)タイプ
SP−211で製造されている。ベスペルとは炭素で強化された耐温度熱硬化性
ポリイミド樹脂に対するデュポン社の商標であり、テフロンポリ四フッ化エチレ
ン樹脂のパウダを含んだ内部潤滑性を有するものである(テフロンとはデュポン
社の商標である)。普通の強化ポリ四フッ化エチレン樹脂(PTFE)製の種々
の軟いシールを試みたが、高圧高温において不十分な寿命しか得られなかった。
4,000psi(約280kg/cm2)以上の硬度を有するシールが必要であり、こ
れは高温ではPTFEよりも良好な硬度を維持する。
内側ステム1027は時効硬化された型式の17−7PHステンレス鋼製であ
る。内側ステム1027はニトロニック60ステンレス鋼で製造された段付ブッ
シュ1022で案内される。ニトロニック60は内側ステム1027の接触移動
による摩耗を防止するために使用される。
内側ステム1027の圧縮に対する降伏強度又は硬度と、非常に硬い球101
4と、円錐形の弁座1013との間に異った関係がある。球1014はステム1
027の面1023より相当に硬くなければならず、かつステム1027は弁座
1013より相当に硬くなければならない。
このことは、バルブが堅く閉じた場合、球1014は密封するために弁座の比
較的大きな領域(ヘルツライン接触と呼ばれている)を変形させなければならな
いが、球1014はステム1027のより小さい領域(ヘルツ点接触と呼ばれて
いる)と接触するからである。ステム1027にかかる球の接触圧は弁座101
3にかかる接触圧よりも高い。これは、弁座1013上の接触領域の方が大きい
からである。それにもかかわらず球1014はステム1027の面1023をあ
まり大きく変形させてはならない(つまりあまり大きなくぼみを生じさせてはな
らない)。さもないと、ステム1027は外方へ曲りワッシャ1017と干渉す
るか又はそれと強くこすり合うこととなる。従って、ステム1027は、円錐型
の弁座1013より著しく高い降伏点を有していなければならない。更に、球1
014はステム1027より著しく高い降伏点を有していなければならない。従
って、ステム面1023には恒久的な接触圧痕が生ずるが、球1014には生じ
ない。球1014はほとんど完全に球状を維持しなければならない。それは、バ
ルブが開放した時球が自由に回転するようにするためであり、接触圧痕がある場
合には、バルブが閉鎖した時弁座において漏洩が発生するからである。
内側ステム1027は首部1029と、外側ステム1030の捕捉要素103
4と協働する頭部1033とを有している。頭部1033は外側ステム1030
の円筒状凹部1070に設けられている。摩擦防止装置もしくは硬い球1035
は外側ステム1030の雌側円錐面1036から頭部1033の端部の平坦面1
038までスラスト力を伝達する。
内側ステム1027の頭部1033と硬い球1035とを外側ステム1030
に組付ける前は、捕捉要素1034は曲線よりもむしろ直線であり中空の円筒部
として伸長し、伸長した内径は円筒状の凹部又は空洞部1070の一部をなして
いる。最終の組立工程において、図に示すように、捕捉要素1034はスピニン
グ加工又は回転スウェージング加工により曲げられる。外側ステム1030は1
7−4PH型の時効硬化されたステンレス鋼で製造されるが、内側ステム102
7ほど硬くはない。この17−7PHステンレス製のステム1027及びその面
1023は260,000psi(約18,300kg/cm2)の硬度を有する。
ステム1027の面1023は弁座1013よりも少くとも1.3倍の降伏点
と硬度を有しかつ球1014の0.5倍を超えない強さの降伏点と硬度を有する
。
ステム1030を反時計方向に回すとステム面1023と球1014の間の力が
解除され、そして球1014は継手部1003に入る流体内に存在する超過圧力
により移動され、次に流体は継手部1002を介して流出しばねと流体圧がかか
った半硬化シール1018によりバルブステム領域を通る漏洩が防止される。
17−7PHステンレス鋼の降伏点は内側ステム1027の面1023でほん
の約260,000psi(約18,300kg/cm2)であり、窒化珪素の球101
4の降伏点は約550,000psi(約38,700kg/cm2)であり、そしてス
テム1027の回転による非常に硬い球又は要素1014へ有害な影響を与える
ことはないと考えられる。さもなければ、ステム1027の回転により球101
4とステム端部1023間の界面で球1014に顕微鏡的な傷痕が不意に生ずる
こととなる。球1014が、バルブが開放され又バルブが再び閉鎖された時、半
不規則的な理由により後方へ回転した場合、これらの顕微鏡的な傷痕は球102
7と円錐形の弁座1013の間の界面で封止部と干渉する。これらの傷痕を回避
するため、内側ステム1027は球1035のような回転防止要素が設けられて
いる。
図8には、1/16インチ(約1.59mm)の外径又は別の直径のステンレス
鋼管をバルブのポート1002及び1003(図7)に連結する従来の管継手が
示されており、この管継手は本体の外面の六角レンチ用平坦部1040と、ねじ
部1105と一体となったねじが切られていない軸部1106とを有している。
ねじ部1105から更に内方には一体の非ねじ部1104が形成されている。
使用に際しては、管1100−1100Aは継手本体1107及び貫通孔付き
のステンレス製円錐形フェルールを貫通する。このフェルールは非ねじ部110
4の端部上を滑動する。従って、組立て後は、継手はポート1003(又はポー
ト1002)内に手でねじ締めされ、管1100はその先端が管の通路1006
(図7)の内側端部に達するように押込められる。継手は次にフェルール110
2が内部の円錐部1005(図7)に押圧されるようにレンチで締付けられる。
これによりフェルールは直径方向に十分に圧縮され直径方向に降伏してフェルー
ルを通過する管と共に恒久的なシールを形成する。外部の円錐面も雌側円錐部1
005と共にシールを形成する。
図9には、バルブ本体1001の正面図が示されている。このバルブ本体10
01は継手1107及び1108により管1100及び1101にそれぞれ連結
されている。ねじ1043及び1044は2個の管状スペーサ1054(図10
)及び1054A(図示しない)を介して装着板1055にバルブ本体1001
に保持されている。ねじ1043及び1044はそれぞれバルブ本体1001(
図7)の装着孔1042及び1041を通る。装着板1055は基台1058と
電動ギヤモータ570にねじ1056及び1057でねじ付けされる。ギヤモー
タ570の回転出力軸1051は可撓軸継手1070によりバルブ54A(図7
)の外側ステム1030へ連結される。
モータとバルブ間の連結部は、モータの出力軸に連結された連結部材1050
と、バルブの連結部材1049とを備えている。それらは各々が基台を有してお
り、その基台に軸がピン付けされ、又はその代りに他の部材の方向へ伸長するア
ームを位置決めして取り付けられている。それらは連結部の軸方向運動と同様に
変形及び組立て誤差を許容するように離間されている。軸方向運動は、バルブ5
4Aの外側ステム1030がねじ領域1032(図7)に与えられた運動により
軸方向に1ミリメートルだけ移動可能となるため、必要である。弾性部材800
は単一部品として連結部材1050と1049の間に取り付けられている。連結
部材1050,1049及び800を含む連結具はラブジョイ社(Love J
oy)で製作されており、米国,ネブラスカ州68521,リンカーン通り,2
909北第27ストリートのニコルソン インダストリアル サプライ社から部
品番号G35−Aの名の下に入手可能である。
この間隔の1/10だけが、円錐状の弁座1013(図7)内の非常に硬い球
1014の動作によりバルブを開閉するのに必要とされるが、より大きい動作を
許容することが好ましい。バルブが侵入しかつ作動の初期に形成された球対円錐
の適合シールを形成するため、付加的な間隔が行過ぎや円錐形の弁座1013の
最初のコールドフローに対して有効である。球1014は、バルブ54Aが組立
てられた後そのバルブの最初の閉鎖の間にトルクが外側ステム1030(図7)
に掛けられるので、弁座1013の中に更に押込められる。連結部品1049及
び1050は各々がC形断面をしたばねピン1047及び1067によりそれぞ
れのバルブ及びモータ軸に保持される。ギヤモータ570として使用するのに適
したギヤモータはピットマン(Pittman)シリーズ9413であり、これ
は30ポンドインチ(約35kgcm)のトルクを有するギヤボックスと、24ボル
トDCの通常の供給電圧と、15ボルトDCで約16rpmの出力軸回転速度と、
14ポンドインチ(約16.1kgcm)のトルクで約1/2アンペアの電流とを有
する直流永久磁石界磁のモータである。
図10には、直流電流の永久磁石界磁型のギヤモータ570に連結されたバル
ブ1001の平面図が示されている。この型式のモータの回転方向は、ターミナ
ルにかかる直流電流供給電圧の極性を反対にすることにより制御される。この型
式のモータにより生ずるトルクはモータを通る電流に密接に比例する。モータは
2箇所のターミナル端子1059及び1060を有し、ターミナル端子1060
は図22のターミナル端子1059の直下に配設されている。この開示において
バルブに連結されるギヤモータの全ては直流電流の永久磁石界磁の型式のもので
ある。
バルブの作動の準備において、ロックナット1026がねじ付ブッシュ104
5の外ねじ1025(図7)に沿って巻きもどしされる。ねじ付ブッシュ104
5は、レンチを平坦部1037(図7)に当ててブッシュ1045を時計回りに
回転することにより図7に示すよりも更にバルブ本体1001内へねじ込められ
る。ねじ付ブッシュ1045は、バルブ本体内にねじ込まれるにつれて、段付ブ
ッシュ1021を押圧し、ワッシャ1017の方に向ってシール1018を押圧
してベルビーレばね1016を平坦にする。
かかる締付け及び圧縮は連続して行われ、シール1018(図7)は外方に向
って平坦状になり、従って、その内径は内側ステム1027(図7)の円筒面に
対して密封的に圧縮され、そしてその外径は凹部1019(図7)の円筒壁に対
して密封的に押圧される。ブッシュ1045に作用する典型的な締付けトルクは
40ポンドインチ(約46.1kgcm)である。
このトルクで、ベルビーレばね1016(図7)は平坦となる。平坦になった
場合、ばね1016はシール1018(図7)内で1,000psi(約70.3k
g/cm2)の残余の圧縮力を与え得るように寸法決めされていて、最大作動温度1
50℃での圧縮力によりばね1016(図7)が最少限のクリーページ(cre
epage)を生じた後でさえ、内側ステム1027(図7)にシール力を与え
る。シール1018は、ばね1016による流体圧により付加的に自己作用する
。ばね1016によるシール1018内の圧縮は、流体圧力が低い場合、シール
1018の漏洩防止作用が緩むのを防止する。ねじ付ブッシュ1045が締付け
られた後、ロックナット1026はバルブ本体1001の方に向って下方にねじ
締めされ、ねじ付ブッシュ1045を所定の位置に固定する。
作動時には、外側バルブステム1030は、ピンの貫通孔1046により外側
ステム1030に従来の方法で連結され得るいずれの手段によっても回転させる
ことができる。ステム1030の時計方向回転に伴い、ステム1032の面と一
致するねじ付ブッシュ1045の内ねじと接触する外側ステム1030の外ねじ
によってステム1030がバルブ内に移動する。1/4×28の細目ねじなら十
分である。ステム1032のねじ面ばデュポンのクリトックス(Krytox)
R217高温高圧用潤滑剤で潤滑される。この潤滑剤は過フッ素性ポリエーテル
オイルと、低分子質量の粉末状のポリテトラフルオロエチレンのシックナーと、
粉末状のモリブデン二硫化高圧ソリッド潤滑剤で構成される。この潤滑剤は6回
の高圧、高温潤滑剤テストを受けた最良の耐温度性を有していることがわかって
いる。ねじ付ブッシュ1045はニトロニック(Nitronic)60で製造
されており圧力及び外側ステム1030のねじ1032の運動による損耗を防止
する。
外側ステム1030が内方へ移動した時、球1035(図7)により伝達され
る力のため内側ステム1027(図7)も同様に移動する。外側ステム1030
が回転しても、内側ステム1027は回転しない。それは球1035と内側ステ
ム1027の頭部(図7)の上部1038との間の接触領域における直径が小さ
いことにより回転摩擦力が弱いからである。この弱い摩擦力は、内側ステム10
27の円筒面に対して緩く圧縮されたシール1018(図7)の反回転摩擦力に
打ち勝つには十分な大きさでない。
外側ステム1030の時計方向回転が続くにつれて、内側ステム1027は、
その平坦な端部又はステム面1023が非常に硬いバルブの球1014と接触す
るに十分な程押圧されるようになる。外側ステム1030の時計方向回転により
非常に硬い球1014が弁座1013内へ更に押圧されて弁座1013が球10
14と適合するように変形させかつ雌側嵌合部1003(図7)に入る流体の流
れに対して締付シール部を提供する。ステム1030にかかる14ポンドインチ
(約16.1kgcm)のトルクが締付シール部を提供する。それとは逆に、外側ス
テム1030が反時計回りに回転されると、外側ステム1030はそのねじの作
力により外方へ移動する。外側ステム1030の捕捉要素1034が内側ステム
1027の頭部1033を外方へ引張り、内側ステム1027のボス1023を
バルブ要素又は球1014との緊密な接触から離脱させる。このことにより、流
体がバルブのポート1003からポート1002へ流動することが可能となる。
図11は、ギヤモータ570(図8、9及び10)用の制御回路2200のブ
ロック回路ダイヤグラムを示す。この回路2200は超臨界流体供給バルブ54
A(図6)、抽出バルブ50A(図5)を作動させるギヤモータ574(図5)
、及びバルブ52A(図4)を作動させるギヤモータ573(図4)を作動させ
る。
制御回路2200はプログラマ又は他のコンピュータ2100と、供給モータ
を制御する回路710と、抽出モータ回路712と、バルブ54A(図6)、5
0A(図5)及び52A(図4)をそれぞれ制御する排出モータ回路714と、
逆転スイッチ716、駆動回路720と逆転モータトルク回路718とを備えて
いる。コンピュータ2100はコンピュータ2100の出力端子に電気的に接続
された導体2118,2119及び2120を介して、供給モータ回路710と
、抽出モータ回路712と、排出モータ回路とに電気的に接続されている。
駆動回路720は、供給モータ回路710に同様に電気的に接続された逆転ス
イッチ716、抽出モータ回路712及び排出モータ回路714に電力を供給し
て、これらのモータの回転方向を制御する極性と共にこれらのモータの選定され
たいずれか1つに電力を供給し、バルブの開閉を行う。逆転スイッチ716はコ
ンピュータのポート2022から導体2122に電気的に接続されていて、バル
ブを閉鎖するために逆方向に付勢する。このポート2022は逆転モータトルク
回路718に電気的に接続されている。この回路718はバルブの作動時にトル
クの大きさを制御しかつその目的のため、駆動回路720に電気的に接続されて
いる。導体2057のフィードバック回路は供給モータ回路710、抽出モータ
回路712及び排出モータ回路714に電気的に接続されていて、バルブが完全
に閉鎖した時モータの停止を制御するコントローラへのフィードバック信号を与
える。モータの停止信号はコンピュータ又はプログラマ2100のポート202
1からの導体2121で電送される。
好適実施例においては、タイミング回路を有するプログラム可能なコンピュー
タが有利である。同じコンピュータが図3の実施例の装置を作動するのにも使用
される。しかしながら、手動スイッチが代りに使用される。この手動スイッチは
正電圧供給装置に接続されて、スイッチを入れた時対応するモータを付勢する。
制御回路2200は供給モータ回路710、抽出モータ回路712、排出モー
タ回路714、コンピュータ又はプログラマ2100、逆転スイッチ716、駆
動回路720及び逆転モータトルク回路718を備えている。供給モータ回路7
10、抽出モータ回路712及び排出モータ回路714は、バルブ54A,50
A及び52Aの内の対応するバルブを開閉する。
バルブを制御するため、コンピュータ又はプログラマ2100は、どのバルブ
を作動すべきか及び作動の方向を決定する複数の出力導体を有している。好適実
施例においては、抽出装置10A(図3)を作動させるのはコンピュータである
が、プログラマの代りにタイミング装置であってもよく、又は実際に手動スイッ
チが使用されて、回路を15ボルトのDC電圧で閉じて操作人が望むようにバル
ブを開閉してもよい。
好適実施例においては、導体2118,2119及び2120はコンピュータ
又はプログラマ2100の出力2018,2019及び2020にそれぞれ接続
され、かつ供給モータ回路710、抽出モータ回路712及び排出モータ回路7
14の対応するいずれかに接続されてそれらのバルブの開放又は閉鎖を選択する
。導体2127の低レベル信号はコンピュータの出力ポート2021に取り付け
られていてインバータ2026を介して駆動回路720へ電気的に接続されて、
逆転スイッチ716を介して選定されたバルブに電力を供給させる。この信号は
ポート2023から導体2123を介して逆転スイッチ716及び駆動回路71
2に電気的に接続されている。
逆転スイッチ716は導体2053及び2051を介して供給モータ回路71
0、抽出モータ回路712及び排出モータ回路714の各々に電気的に接続され
ていて、バルブを開閉するための適当な極性と共に駆動電力を供給する。コンピ
ュータ2100の逆転モータのポート2022は導体2122を介して逆転モー
タトルク回路718及び逆転スイッチ716へ電気的に接続されて、電力の極性
を選定し、導体2053及び2051を介して供給モータ回路710、抽出モー
タ回路712及び排出モータ回路714のいずれか選定された回路に供給して、
バルブが開位置又は閉位置となるようにモータを駆動する。
モータ回路710,712及び714の各々に接続されたトルク調整フィード
バック回路は導体2057を介して駆動回路720へフィードバックする電圧を
発生し、そして導線2123の電流検出信号並びにコンピュータ2100からの
モータ停止用の導体2121と関連して、バルブ閉位置で何時モータを停止させ
るべきかを決定する。逆転モータトルク回路は、モータがバルブを開放する方向
に回転した時、駆動回路720への供給電力を増加し、バルブが最終的に閉鎖さ
れた時以来生じた温度変化による膨張差に伴う過締付けに抵抗する。それにより
、バルブを閉じた状態に保持させかつ指令によるバルブの開放を確実にする。
図12において、ギヤモータ570、ギヤモータ574及びギヤモータ573
をそれぞれ有する供給モータ回路710、抽出モータ回路712及び排出モータ
回路714の回路を図解したダイヤグラムが示されている。ギヤモータ570は
リレー2000により電気的に選択され、ギヤモータ574はリレー2001に
より又ギヤモータ573はリレー2002により電気的に選択される。ギヤモー
タ570はバルブ54A(図6)の位置(この場合は開放位置又は閉鎖位置)を
制御し調整する。ギヤモータ574は同様にバルブ50Aを(図5)及びギヤモ
ータ573はバルブ52A(図4)を制御する。
コンピュータ又はプログラマブルコントローラ2100は図3に示す自動抽出
装置の他の機能を自動化するのと同じコンピュータ(又はプログラマブルコント
ローラ)である。かかる従来型のコンピュータ2100はバルブの制御を含めて
種々の抽出プロトコルのいずれか1つを実行するように従来通りにプログラムさ
れてもよい。コンピュータ2100は図11に示すように出力ポート2018,
2019,2020,2021及び2022を有している。出力ポート2018
はインバータ2015を介してリレー2000を制御する。図11に使用される
全てのインバータは開放コレクタ出力を有するタイプ2803型のデバイスであ
る。出力ポート2019はインバータ2016を介してリレー2001を制御す
る。出力ポート2020はインバータ2017を介してリレー2002を制御す
る。
図13において、逆転スイッチ716、逆転モータトルク回路718及び制御
回路2200の駆動回路720の回路を図解したダイヤグラムを示す。この回路
に明瞭に示されるように、出力ポート2022は逆転スイッチ716のリレー2
003をインバータ2027を介して制御する。リレー2003は、従来の二極
の双投形の逆転スイッチである。このリレー2003は3個のギヤモータのいず
れがリレー2000,2001又は2002(図12)により選択されたにして
も付与された電圧を逆転するように使用される。
トルクを制御するために、制御回路2200は、選択されたギヤモータの電流
制御(従ってトルク制御)を行う作動増幅器2036及び電力用電界効果トラン
ジスタ(FET)2029を備えている。作動増幅器2036はタイプ324型
のものであり電力用FET2029はタイプMTP12N06のものである。リ
レー2003の接触子2024は電力用FET2029のドレン2050を3個
のギヤモータ570(図6),574(図5)及び573(図4)の電気的端子
の1つ及びリレー2000,2001又は2002(図12)により選択された
モータに接続する。従って、モータ電流は、電力FET2029及び電流検出レ
ジスタ2030を介して共通回路へと流れる。
電流検出レジスタ2030にかかる電圧降下は作動増幅器2036の変換され
た入力2045へ付与される。作動増幅器2036の出力2043はレジスタ2
034を介して電力用FET2029のゲート2048へ導入される。レジスタ
2030及び2032、作動増幅器2036及び電力用FET2029は負のフ
ィードバック又はサーボループを与え、このサーボループはギヤモータの最大電
流(従って最大トルク又はトルクリミット)を設定するのに使用される。レジス
タ2033は作動増幅器2036の出力2043間で接続されゲイン又はサーボ
ル
ープの比例帯域を設定する。
電流セットポイントは作動増幅器2036の非変換入力2044の電圧により
設定される。正の2.5ボルトの基準電圧は端子2042に付与されてレジスタ
2040を介して非変換入力へ導入される。3個のモータ570,574及び5
73(図12)のいずれかを選択するのと同じリレー2000,2001及び2
002が各ギヤモータに対応する調整可能なレジスタを同時に選択する。調整可
能なレジスタ2018はギヤモータ570に対応し、調整可能なレジスタ201
9はギヤモータ574に対応し、そして調整可能なレジスタ2020はギヤモー
タ573に対応する。別の名目上は同様なギヤモータはいく分異った電流対トル
ク特性を有しかつトルクリミットは各ギヤモータに対して別個に設定されなけれ
ばならない。
可変抵抗2018,2019及び2020はギヤモータ570,574及び5
73にそれぞれ対応しそしてリレーの接触子2006,2009又は2011に
よりそれぞれ選定される。接触子2006,2009及び2011は選択された
可変抵抗を導体2057へ接続し、この導体2057はレジスタ2040と増幅
器2036の非変換端子2044とに接続する。変換入力2045の電力は、電
流又はトルク制限が作動した場合非変換入力2044の電圧と等しくなる。
レジスタ2030にかかる電圧は変換入力2045での電圧とほぼ同じであり
、電流制限が働く間可変抵抗2018,2019又は2020の抵抗値を変更し
、レジスタ2030にかかる電圧を変化させ、かつ選択されたギヤモータを通る
電流と同じレジスタ2030を通る制限電流を変化させる。コンピュータ210
0(図11)の出力ポート2022は、FET2038のゲート電極2046へ
も接続されている。電界効果トランジスタ2038は共通回路へ接続されそして
そのドレンはレジスタ2037を介して作動増幅器2036の変換入力2045
へ接続される。
コンピュータが逆転方向(バルブ開の方向)へ選択されたモータを作動させた
場合、出力ポート2022(図11)の電圧レベルは高くなり、そのゲート20
46を介して電界効果トランジスタ(FET)2038を作動させる。このこと
により共通回路と作動増幅器2036の変換入力2045との間でレジスタ20
37が接続される。レジスタ2037はレジスタ2032の値の約2倍あり、従
って、レジスタ2037はレジスタ2030と選択されたギヤモータにかかる電
圧の1.5倍の値が必要であり、変換入力2045の電圧を非変換入力2044
の電圧と同圧にする。
その効果は、バルブが開いた場合に、バルブが閉鎖した場合の約1.5倍のフ
ァクタでトルクリミットが増大することである。このことにより、開放トルクが
閉鎖トルクより大きくなった場合バルブがかじりつくことが確実になくなる。か
かるかじりはバルブを開くトルクが閉じるトルクより小さい場合に生じ得ること
が経験からわかっている。しかしながら、高い開放トルクを要する理由は、バル
ブが高温で閉鎖されてその後著しく低い温度で開放される場合に生ずる異った温
度収縮によると考えられている。
選択リレー2000,2001及び2002以外の方法でギヤモータ570,
574及び573(図12)への電力を遮断し又は投入することが望ましく、又
同様に逆転リレー2003の状態が変化する間に電力を遮断することが望ましい
。これらのリレーは長い寿命を有しかつソリッドステートの電力切換が電気的ノ
イズをあまり発生しないため、それらのリレーの接触子を電流が通っていない時
にそれらの接触を切換えることが望ましい。
その目的のため、コンピュータ2100(図11)の出力ポート2021はイ
ンバータ2026を介して電力FET2029を遮断するロジック高レベルを備
えている。出力ポート2021(図11)の高レベル信号はインバータ2026
により変換され、その結果低レベル電圧が電力FET2029のゲート2048
に付与されて、FET2029を遮断し、リレー2003の接触子2024及び
2025、リレー2000の接触子2005、リレー2001の接触子2008
及びリレー2002の接触子2010へ入る電力を遮断する。コンピュータ21
00(図7)は、出力ポート2021(図7)の電圧レベルが各レベルの状態の
変更前に高く(パワーオフの状態)となり次にリレー状態の変化後低く(パワー
オンの状態)なるように、プログラムされる。
バルブが閉鎖した場合、ギヤモータに印加されたトルクは立上がりを開始し、
ギヤモータを通る電流は、球1014(図7)が合致した弁座1013に押圧さ
れた時上昇する。トルクと電流が前述の制限点まで上昇した場合、作動増幅器2
036の出力2043の電圧は降下する。この降下した電圧は、電力FET20
29のゲート2048に付与されて、電力FET2029は作動を停止し始める
。このことが発生すると、そのドレン2050と導体2055の電圧が上昇し始
め電流がレジスタ2035を通して流れる。レジスタ2041はレジスタ203
5と共に電圧デバイダを形成する。電圧分割比は、導体2055の電圧がコンピ
ュータ2100(図11)の入力ポート2023の電圧を発生した場合、トルク
制限状態を表示するように選択される。ここで、コンピュータ2100の入力ポ
ートの電圧はその入力ポートの論理レベルと等しい。これにより、バルブが閉鎖
したことをコンピュータ2100に送信する。
プログラマブル制御による簡単な抽出手順は、バルブ54A(図6)、50A
(図5)及び52A(図4)が閉じた状態で以下の通りである。コンピュータ制
御の下で、ギヤモータ454(図4)は高速でねじ476を回転させ、カートリ
ッジ30Aを圧力容器24A(図4)内の抽出チャンバ内に持ち上げる。抽出チ
ャンバ内に位置決めされたカートリッジ30Aは図6に示されている。ギヤモー
タ600は、コンピュータ制御により揺動機構606を駆動して、抽出チャンバ
(図6)内で抽出カートリッジ30Aを効果的に揺動させる。コンピュータ(図
11)の出力ポート2021での論理レベルは、全てのリレー接点に対して高い
遮断パワーを有している。それ故コンピュータ2100(図11)のポート20
18での論理レベルは高くなり、インバータ2015(図12)の作用によりリ
レー2000のコイルを付勢する。同時に、出力ポート2022(図11)は高
くなり、インバータ2027を介してリレー2003(図13)を作動させる。
このことにより、リレー2003(図13)の接触子2024及び2025は
図11に示された位置から反対側の位置へ移る。この位置は逆転又はバルブ開放
の位置である。同時に、FET2038のゲート2046が高くなりFET20
38が付勢される。
数分の1秒後、ポート2021(図11)の論理レベルが低くなった後、FE
T2029を付勢可能とすることにより、リレー接触子回路が活性化される。端
子2070での15ボルトの正電圧が接触子2025を介してギヤモータ570
,
574及び573(図12)の下側端子(図11)にかかる。このことによりこ
れらのモータを、逆方向に又は関連するバルブを開放する方向に回転させること
を可能にする。正電圧がこれら3個のモータの上側端子にかかると、それぞれの
バルブの閉鎖が可能となる。
リレー2000は、次に、導体2052、接触子2005及び導体2054及
び2053(図12)を介してギヤモータ570の上側端子を選択する。リード
線2053は、リレー2003が付勢されるため、接触子2024を介して導体
2055へ接続される。リード線2055は電流制限回路の電力FET2029
のドレンへ接続される。モータは開放するには制限電流より少い電流しか要しな
いため、モータは約16rpmの連続速度で逆転(バルブ開放)方向に回転し、バ
ルブ54A(図6)を開放する。3秒間のかかる作動及びバルブ54Aの対応す
る開放動作の後、コンピュータ2100は出力ポート2021(図11)を高く
し、インバータ2026(図13)を介して電力電界効果レジスタ2029のゲ
ートを低くする。このことにより、リレーの接触子及びモータ570(図12)
を通る電流が停止し、バルブ54A(図7)がモータ停止の状態で、開放状態を
維持する。数分の1秒後ポート2018(図11)は低くなりモータ570(図
12)を選択したリレー2000を遮断する。
コンピュータ2100(図11)は、リレー2000,2001,2002(
図12)又は2003(図13)が状態を変更する前に、出力ポート2021(
図11)の信号が常に電力FET電流源のトランジスタ2029(図13)を数
分の1秒間遮断するようにプログラムされる。コンピュータ2100は、更に、
電力が必要な場合、単一の又は一群のリレーが同時に状態を変更した後、ポート
2021の信号が電力FET2029を数分の1秒間再び可能にするようにプロ
グラムされる。このことにより、これらのリレーのいずれも作動電流又は電力を
切換えることを要しない。従ってそれらの寿命は長くなる。かかる作動上の防護
的な特徴は、いずれかのリレーの状態が変化する前後に各々行われる。
上述によると、ギヤモータ570(図12)はバルブ54Aを開放する。この
バルブは、流体導入路、ライン又は管58A(図6)及び60A(図1)を介し
て抽出チャンバ24(図1,2及び3)の内部及び抽出カートリッジ30A(図
6)へ超臨界流体を供給する。次に、コンピュータ出力ポート2019(図11
)は高くなり、インバータ2016(図12)を介してリレー2001を選択す
る。リレー2003(図13)は未だ作動している。リレー2001(図12)
の接触子2008はリレー2003(図13)の接触子2024を介してモータ
574(図12)の上側導体を導体2055に接続する。このことにより、ギヤ
モータ574はバルブ50A(図5)を開放させる。バルブ50Aは抽出カート
リッジ30A(図6)の出力を抽出物収集容器98Aへ導入するリストリクタ管
66A(図5)へ接続する。3秒後バルブ50Aは開き始め、コンピュータ21
00はポート2019(図11)のレベルを低くさせ、そしてモータ574はバ
ルブ50Aの開放を停止しバルブ50Aを開いたままにしておく。
リストリクタ66A(図4及び5)は超臨界流体を抽出カートリッジ30A(
図6)内の高圧から収集容器98A(図4)の低圧にまで降下させる。収集容器
98Aの圧力は、通常大気圧と比較的接近した圧力であり、溶解したサンプルを
運搬する超臨界流体は、通常、リストリクタ66Aに入るのでガスを運搬する一
連のサンプルへと変化する。抽出カートリッジ30Aの内容物である超臨界抽出
物質は既述の通り処理される。
コンピュータ2100(図11)内のプログラマブルタイマーが超臨界抽出物
質の所望の継続時間に設定される。タイマーが10分間に設定された場合、それ
から10分後バルブ50A(図5)が開放し、抽出が完了する。コンピュータ2
100(図11)の出力ポート2022が低くなり、インバータ2027(図1
3)を介してリレー2003を消勢する。リレー2003(図13)の消勢され
た接触子2024及び2025はモータ570,574及び573(図12)へ
の電圧を逆転させて、モータが前方(バルブを閉鎖する)方向へ変更することを
可能とする。電界効果トランジスタ2038は、そのゲート2046(図13)
の低電圧によりオフの状態となる。同時に、コンピュータはその出力ポート20
18(図11)を高くしてインバータ2015(図12)を介してリレー200
0を付勢する。リレー2000は導体2052、導体2053(図12)、リレ
ー2003(図13)の接触子2025を介してギヤモータ570の上側端子を
端子2070(図12)の15ボルトの正電圧源へ接続されている。
ギヤモータ570の下側端子は導体2051(図12)を介して接触子202
4、電界効果トランジスタ(FET)2029(図13)のドレン2050及び
導体2055へ、そしてFET2029の電源からレジスタ2030へと接続さ
れている。リレー2000の接触子2006は可変抵抗2018を導体2057
(図12)へ、更に、作動増幅器2036(図13)の非変換入力2044へと
接続している。従ってギヤモータ507は、可変抵抗2018(図12)により
電流制限又はトルク制限されて前方方向(バルブを閉じる方向)へ動作する。
バルブが堅く閉鎖するにつれて、球1014が合致する弁座1013(図7)
内へ押圧され、モータトルク及びモータ電流は増加して、検出レジスタ2030
(図13)にかかる電圧が増加する。トルク及び電流が設定量だけ増加すると、
導体2055(図13)の電圧が十分に高くなり、コンピュータ入力2023(
図11)の論理レベルがレジスタ2035及び2041(図13)からなる電圧
デバイダまで達する。このことにより、コンピュータ2100(図11)は出力
ポート2018の電圧が低くなり、リレー2000(図12)が減勢する。次に
、コンピュータは出力ポート2019の電圧を高くする。このことにより、イン
バータ2016を介してリレー2001を付勢しギヤモータ574(これはバル
ブ50Aへ連結されている)及び可変抵抗2014を選択する。モータ574は
前方方向へ回転し、バルブ50A(図5)を閉鎖する。
バルブ50A(図5)が閉鎖した場合、モータ電流は、電流検出レジスタ20
30にかかる電圧が作動増幅器2036(図13)の変換入力端子2045の電
圧とほぼ等しくなるまで増加する。作動増幅器2036の変換入力端子の電圧は
モータ574(図12)と関連する可変抵抗2019により設定される。このこ
とにより、導体2055(図13)の電圧を上昇させる電流及びトルク制限を発
生させ、次に電流検出入力ポート2023(図11)の電圧をレジスタ2035
及び2041(図13)からなる電圧デバイダまで上昇させる。
入力ポート2023の電圧がコンピュータ2100(図11)の論理レベルと
なった時、コンピュータ2100はその設定トルク制限でモータ574(図12
)を遮断する。出力ポート2019の電圧が低くなると、インバータ2016(
図12)を介してリレー2003(図13)が減勢される。出力ポート2022
(図11)が高くなると、インバータ2027(図13)を介してリレー200
3が付勢される。付勢された接触子2024及び2025(図13)は、ギヤモ
ータ573がインバータ2017(図12)を介して付勢されたリレー2002
を開放することを可能とする。リレー2002の接触子2010及び2011は
バルブ52Aに連結されたギヤモータ573(図4)を選択しかつギヤモータ5
73用のトルク及び電流制限を設定する可変抵抗2020(図12)を選択する
。ギヤモータ573は3秒間逆転方向(バルブ開の方向)に作動してバルブ52
Aを開放する。このことにより、内側の圧力容器24A内及び抽出カートリッジ
30A(図4及び6)内の圧力が排気され又は排出される。
圧力が近似大気圧に達し得るのに最適な時間経過後、ギヤモータ600(図6
)は逆転し、固定機構606(図6)をコンピュータ制御の下で解除する。次に
、ギヤモータ454(図4)が逆転し高速ねじ476を抽出容器24A内の抽出
チャンバからカートリッジ30Aを下降させる。
ギヤモータがトルク制限に達した時、バルブステムの動作が停止するようにバ
ルブの閉鎖を制御することが、制限位置に達するまでバルブを閉鎖することより
も好ましい。かかるトルクフィードバック制限制御は、バルブを閉鎖するに十分
な力を供する。一方、位置制御では、漏洩が発生するような不十分なバルブの閉
鎖が発生するか又は弁座の不要な摩耗を生じる不要な過度の力でバルブを閉鎖す
るという、傾向が生じる。
ギヤモータを制御して対応するバルブを開閉するのに使用されるアルゴリズム
は、内側ステム1027が球1014をいかに多く弁座1013(図7)に押付
けるかに関係なく自己調整式であるため、特に有益である。バルブ開放トルクは
閉鎖トルクより大きいため、バルブは、閉じたままかじり付くということがなく
かつコンピュータ又はプログラマ内に誤って「バルブ開放」状態を発生させるこ
ともない。作動を繰り返す場合でも、球1014が円錐形の弁座1013により
多く押付けられるにつれて球1014は円錐形の弁座1013のより広範な領域
を球1014と合致する形状に変形させることが可能である。バルブ54Aを閉
鎖する場合、ギヤモータは、球1014の緊密な着座を表示するトルク制限に達
するまで連続して動作するため、常に球1014を弁座1013に強く押圧して
流体の流れを遮断する。
バルブ54Aの開放の間、モータは所定の角度回転に等価な所定時間作動する
。このことは、モータが内側ステム1027(図7)の1000分の1インチ(
0.025mm)のストローク行程後一定の速度で逆転する一方、ステム1027
は未だ球(図7)に力を作用させている、ということによる。かかる間中、モー
タは過トルクで作動しており、コンピュータの出力ポート2022(図11)の
高論理レベルがゲート2046にかかり電界効果トランジスタ2038(図13
)を付勢しているため、モータは過度に低下しない。前述の通り、このことによ
りトルク制限は球1014を弁座1013から緩めるに必要なトルクよりかなり
高い値に設定される。
作動中において、プログラムは制御パネル410(図4)で行われる。このプ
ログラムは、コントローラ450(図4)に収納されて、サンプルの交換、断片
収集、静的及び/又は動的な抽出作動、流体圧力、圧力の段階又はその変化の程
度、超臨界流体温度、サンプラーリールの上昇から抽出チャンバまでのサンプル
カートリッジの持ち上げ並びに抽出後のサンプラーリールの復帰、抽出チャンバ
の固定及び固定解除、そして前述の方法により3個のモータ駆動式バルブを作動
し手動式実施例の手動による操作機能を自動的に繰り返すこと、等を制御する。
代案として、これらの作動は所望する順序で行うことが必要な場合、モータへの
回路を手動で閉鎖してキーボードから始動するようにしてもよい。
抽出サイクルを始める際、抽出流体バルブ54A(図6及び7)、洗浄バルブ
50A(図5)、及び抽出物質バルブ52A(図4)は閉鎖している。サンプル
リール430(図3)は、選択された抽出カートリッジ30Aを抽出チャンバ6
18(図4)の下の位置へ移動させる。リール430のスリーブ436(図3)
内にある抽出サンプルカートリッジ30Aはディスク462(図4)の単一孔4
64の上に位置決めされ、そしてピストン又はプラグ32A(図4)の上部のば
ね力がかけられた支持ブロック482で支持される。
サンプルカートリッジ30A(図4及び6)を抽出チャンバ618(図4)内
に移動するため、ギヤモータ454(図4)により、ねじ476、ピストン32
A及びカートリッジ30A(図4及び6)を図6に示す位置まで持ち上げて、カ
ートリッジ30A及びピストン32Aを圧力容器24A内に挿入する。
サンプルカートリッジ30Aを所定の位置で固定するため、ギヤモータ600
はピン606を駆動して、圧力容器24Aの孔609を通し、ピストン32Aの
孔610を通し更に圧力容器24A(図6)の孔612を通す。このことにより
、圧力容器24A内の所定の位置にピストンが固定される。
抽出物質を取り除くため、ブロック482(図4)の下のばね201Aはブロ
ック482を押圧して、継手46A(図4)の底部に向けてサンプルカートリッ
ジ30Aを押付ける。ギヤモータ552はリストリクタ管66A及びラック40
6(図3)を担持するアーム560を図5に示すピストンの位置に降下させ、キ
ャップ550を収集管98A上にさし込む。その代りに、収集管98Aはリスト
リクタ管98Aまで自動的に上昇されてもよい。ギヤモータ570(図9、10
及び12)は回転し、抽出流体バルブ54A(図6)を開き、熱交換器40A、
管60A及び継手42A(図4)を介して抽出流体を導入する。
継手42Aを通って流れる抽出流体は抽出カートリッジ30A(図4)の底部
に入りカートリッジ中のサンプルを透過する。カートリッジ30Aの外側が汚染
されるおそれがある場合には、洗浄バルブ52Aがギヤモータ573(図4)の
制御により開かれる。このことにより、サンプルカートリッジ30Aの外壁と圧
力容器24Aの内壁との間の空間が洗浄又は一掃される。洗浄用流体はカートリ
ッジ30Aの外側の抽出チャンバ618を離れ、洗浄継手44A、管62A、テ
ィ継手管542、管620(図4)、ティ継手管544、管548及び排気ポー
ト546(図4)を通って流出する。
洗浄後、ギヤモータ573は洗浄バルブ52A(図4)を閉鎖し洗浄作動を終
了する。この場合、コントローラ450(図3)は抽出物質バルブ50Aを開放
するギヤモータ574(図5)を起動させる。抽出物質の流体はカートリッジ3
0Aを通過して流動し、カートリッジ30A内のサンプルから物質を抽出し、継
手46A(図4)、管62A(図4)、抽出物質バルブ50A(図5)を介して
リストリクタ管66A(図4)へと流動する。リストリクタ管66Aは所望の抽
出流体速度で所望の抽出圧力を維持するのに十分に小さい直径の毛細孔を有して
いる。
抽出カートリッジ30A(図4及び6)がサンプルで完全に充填されていない
場合、抽出流体を前述の例のように上方に流す代りにカートリッジ30Aを介し
て下方に流すことが好ましい。抽出物質の下方への流動は抽出物質を継手46A
(図4)を介してカートリッジ30A内に流動させかつカートリッジ30Aから
継手プラグ32A(図4)及び継手42A(図4)を介して流動させることによ
りなされる。
抽出が終了しかつ抽出物質が容器98A(図5)内のトラップ流体104Aに
収集された後、ギヤモータ570(図6)は抽出流体バルブ54A(図6)を遮
断する。ギヤモータ573は圧力及び抽出チャンバ618(図4)を急速に降下
させる洗浄バルブ52Aを開放する。ギヤモータ574は抽出物質バルブ50A
を閉鎖し、ギヤモータ552はアーム560、リストリクタ管66A及び排気管
110A(図5)を上昇させる。ギヤモータ600はピン606を圧力容器24
Aの孔609,610及び612及びピストン32A(図6)から引き抜く。
ピストン32Aの固定が解除された後、ギヤモータ573(図4)はピストン
とサンプルカートリッジ30Aを降下させ、それにより、カートリッジ30Aは
抽出室618(図4)にある状態からサンプルリール430(図3)のスリーブ
436にある状態にまで降下される。ギヤモータ570は洗浄バルブ54A(図
6)を閉鎖する。
バルブが閉鎖されかつサンプルカートリッジ30A(図4及び6)がサンプル
リールへ復帰した後、サンプルリール430及び断片収集リール440(図3)
は前進し別のサンプルカートリッジを別の断片収集容器の所定の位置に移動する
。その代りに同一カートリッジにおける多数の抽出を、サンプルカートリッジ3
0Aを所定の場所に置いたままとし収集リールのみを進めることにより、行うよ
うにしてもよい。バルブの開放及び抽出のサイクルを繰り返し行って単一のサン
プルカートリッジ30Aから多数の抽出を行い抽出物質を連続して多くの収集容
器に配設してもよい。
図14には、ポンプ装置814と、流体抽出組立体878と、採取装置916
とを備える超臨界流体抽出装置10(図1)、10B(図3)と同様の自動超臨
界流体抽出装置10Bの概略図的な流体線図が示してある。
抽出流体をポンプ装置814に供給するため、タンク802は、管952、手
動バルブ806、該バルブ806の接続具804を通じてポンプ装置814と連
通している。バルブ806の出口は、接続具808によりバルブ806に接続さ
れ、図示しない別の接続具によりポンプに接続された管810を通じてポンプ装
置814の入口ポート812に接続されている。
ポンプ装置814の出口は、2本の異なる管、入口バルブ装置956(破線で
囲った部分)と、洗浄バルブ装置954(同様に破線で囲ってある)を通じて流
体抽出組立体878に連通している。また、ポンプ装置814は、冷却バルブ装
置958を通じて採取装置916に連通している。
抽出前、超臨界流体抽出装置10B(図3)の実施例に関して上述した方法に
てサンプルカートリッジ870を圧力チャンバ内に動かす。該ポンプは、抽出流
体源からブリーチプラグ組立体の一つのポートに清浄な抽出流体を供給し、該流
体は、シール付近まで流動して、該シールを清浄にし、流体抽出組立体878か
ら外に出る。サンプルの抽出中、この流体は、流動しない。
抽出中、該ポンプは、入口バルブ装置956を通じて流体抽出組立体878内
に排出されたサンプルカートリッジ870と連通している。流体の流路は、ポン
プから、接続部816、818により接続された管960を通じてティコネクタ
820まで伸長している。第一のティコネクタ820は、管838、接続具83
6、840を通じて第二のティコネクタ842に接続されている。
第二のティコネクタ842の一つの出口は、接続具844、848を使用して
接続された管846により電磁作動バルブ850に接続されている。この電磁作
動バルブ850は、その開示内容を引用して本明細書に含めた、ロビン・R・ウ
インター(Robin R.Winter)、ロバート・W・アーリングトン(Robert W.Allin
gton)、ダニエル・G・ジェメソン(Daniel G.Jameson)、デール・L・クレイ
(Dale L.Clay)の名で出願された米国特許出願第847,652号(18-438-10-1)に
記載されている。該電磁作動バルブ850は、コイル状の熱交換器854及び接
続具852、866を通じて入口ハウジング868に接続されている。実際には
、アルミニウム製の温度制御ジャケット966の凹所内に配置されたこの熱交換
器は、図14では、便宜上省略してある。ジャケット966内には、加熱要素及
び
温度感知型熱電対(何れも図示せず)が埋め込まれている。従来の温度制御装置
が、加熱程度を調節して、ジャケットの温度、故に、抽出容器1042の温度を
制御する。
加圧された超臨界CO2は、熱交換器854内で加熱されて、抽出容器104
2及びサンプルカートリッジ870の内部に入る。この流体は、以下に更に詳細
に説明するように、入口ハウジングを通じて抽出容器の頂部及びサンプルカート
リッジから入る。
入口ハウジングは、チャンバが加圧される最初の充填中に、カートリッジ87
0の外側と内側との間に流れを分割する。入口ハウジングは、漏洩を防止し且つ
流体が周囲の要素に連通するのを防止し得るように密封されている。カートリッ
ジ870の内部では、サンプルの上方に空隙スペースが形成されている。流体は
、この空隙スペース及びサンプルを通過した後、カートリッジ870の下方のブ
リーチプラグのノズルに入る。
簡単に上述したように、抽出中、管864、又は882内にはブリーチプラグ
シールの洗浄に使用される流体は存在しない。抽出カートリッジからの流体は、
ブリーチプラグ1010のノズルの開口部に入り、上方シール沿って上方に進み
、またブリーチプラグを圧力容器に密封するシールの下方部分に沿って下方に流
れる。この構造は、デッドスペース、従って、抽出材の損失を解消する。流体の
流れは、シールを清浄な流体にて1分以内に洗浄するのに十分である。
この目的上、洗浄ポートが設けられている。このポートは、洗浄バルブ装置9
54を通じてポンプ装置814と直接、連通している。この洗浄バルブ装置95
4は、第二のティコネクタ842を通じてポンプ装置814に通じている。この
ティコネクタは、管962及び接続具858、856により電磁作動バルブ86
0に接続されている。
バルブ860及び洗浄ポートからの接続は、実際に、アルミニウム製温度制御
ジャケット966に形成された凹所(図示せず)内に物理的に配置された熱交換
器864によって行われる。この熱交換器は、接続具862、872により接続
されている。この熱交換器は、内径0.005インチの1/16インチ管で形成されて
いる。この小さい内径の結果、管の容積が小さくなり、洗浄バルブを閉じたとき
、
抽出サイクル中に内部に取り込まれる流体及び抽出物は、最小となる。
洗浄中、バルブ860を開放した後、バルブ850を閉じる。このとき、バル
ブ850は閉じ、バルブ860は開放し、ブリーチプラグ1010内の半径方向
通路内の流体は、妨害されずに流動する。これらの状態にて、ブリーチプラグ1
010内の分析物質は、カートリッジのチャンバ1042内に流動して戻ること
はない。洗浄ポート1046に入る流体1022(図15)は、シール内面の上
を通過するように分岐する直前に、カートリッジからの流体が達する箇所102
4に向けられる。流体が洗浄ポート又はカートリッジの何れから来るかを問わず
、この箇所から、同一の流路となる。図16に関して一層良く説明するように、
流体は、分割した円形の流路内をシール経て流動する。流体は、収斂して、接続
具874の出口ポート、バルブ904を通って採取装置に排出される。この洗浄
は、相互の汚染を防止するため、各抽出後に行われる。
抽出の完了後、バルブ850、860、904を閉じる。通気バルブ894か
ら圧力が逃げる迄、圧力容器のチャンバ内の流体は滞留している。このバルブは
、電磁作動バルブであり、接続具876、884を有する管882を通じてチャ
ンバに接続され、また、リストラクター管890、接続具888、892を有す
る過圧安全ダイヤフラム886に接続されている。リストラクター890は、洗
浄流が超臨界的となるように洗浄量の圧力を維持する。次に、流体は、接続具8
96によりバルブ894に接続された管898を通じて、装置から安全な処分箇
所に送られる。管から出る流体は、ガスである。
抽出材の出口ポートから出る流体は、採取装置916のリストラクター912
に送られる。出口ポートを接続具874、914を通じて電磁作動バルブ906
に接続する管880がこの経路に沿って配置されている。次に、流体は、接続具
906を使用して接続された管908によってフィルタ910に送られる。この
流体は、フィルタを通り、次に、バイアル914内に挿入されたリストラクター
912を通る。
抽出材は、バイアル914内の採取溶剤中で分離され、ガスは、管926を通
って出る。隔膜がバイアル内のガス圧力を維持し、背圧調節装置920によって
ポートは圧力を維持する。
図15には、その主要部品として、カートリッジ870と、接続具876によ
り管882に接続された出口ポートと、抽出流体の入口ポートの接続具866と
、洗浄入口ポートの接続具872と、圧力容器の洗浄流体の出口ポートの接続具
876とを備える、流体抽出組立体878の部分断面図が示してある。
作用中、加圧された超臨界CO2は、熱交換器854内で加熱され、(1)管
1008を通って圧力容器の壁と外側チャンバスペース1006との間の外側チ
ャンバスペースに入り、また、(2)サンプルカートリッジ870の内部101
4に入る。この流体の流入は、入口ハウジング868を通じて行われる。
該入口ハウジング868は、チャンバが加圧される最初の充填中に流れを分割
する。この流れは、カートリッジ870の外部1006と、内部1014との間
で分割される。流れ分割器は、入口ハウジング868内のチャンバ1002と、
ばね1110と、ノズル1004とから成っている。入口ハウジング868は、
漏洩を防止し且つ座金シール1112により流体とその周囲の要素との連通を防
止する。
好適な実施例において、シールは、黄銅のような軟質な金属で形成されている
。ばね1110は、ノズル1004をカートリッジに押し付け、流体が内部10
14とカートリッジの外部のスペース1006との間に直接、連通するのを阻止
する。しかしながら、最初の加圧中、ノズル1004は、流体の一部をその中心
を貫通して流動させ、及びその他の流体をその外部のその長さに沿ったスリット
1004Aに沿って流動させることにより、内部とカートリッジ870の外部と
の間で流体の流れを分割する。
流体が分割する箇所は、入口ハウジング内に配置された小さいチャンバ100
2内である。次に、流体は、チャンバスペース1006に入る前に、ノズル10
04と座金シール1112との間を通る。カートリッジの内部と外部との間の圧
力が常に略等しいような構造とする。抽出前及び抽出中、管882を通じて流体
が流出することはない。抽出中、スペース1006内の流体は、静止している、
即ち、滞留している。
カートリッジ870の内部には、サンプル1016の上方に空隙スペース10
14がある。流体は、空隙スペース1014及びサンプル1016を通過した後
、
ブリーチプラグ1010のノズル1030に入る。
ブリーチプラグ組立体は、ブリーチプラグ1010と、下方シール1026と
、シールスペーサ1034と、上方シール1020と、出口ポート又は先端10
38と、ポート管1012とから成っている。抽出中、管864、又は882内
を流動する流体はない。抽出カートリッジからの流体は、ブリーチプラグ101
0のノズル1030の開口部に入り、ブリーチプラグ1010に穿孔したポート
管1012を通って流れる。
該ポート管1012は、上方及び下方ブリーチプラグシール1020、102
6の中央部分1024に流体を送る。また、該管は、シールスペーサ1034の
方向を固定する。シールスペーサには、二つの開口部が形成されており、その一
つは、ポート管1012にあり、もう一方は、出口ポート、又は先端1038の
付近に形成されている。流体は、上方シールの周りを上方に流動し、及び下方シ
ールの周りを下方に流動するように、箇所1024にて4方向に分割される。シ
ールスペーサ1034は、シール間のスペースを占め、これにより、流体をシー
ル内に導入する。この構造は、デッドスペースを解消し、従って、抽出の損失を
解消する。流体の流れは、清浄な流体によりシールを1分以内で洗浄するのに十
分である。
この目的上、洗浄ポートが形成されている。このポートは、洗浄バルブ装置9
54(図14)を通じてポンプ装置814に直接、連通している。この洗浄バル
ブ装置954は、第二のティコネクタ842を介してポンプ装置814に連通し
ている。このティコネクタは、管962、接続具858、856により電磁作動
バルブ860に接続されている。
洗浄中、バルブ860が開放した後、バルブ850が閉じる。このとき、バル
ブ850は閉じて、バルブ860が開放しており、ブリーチプラグ1010内の
半径方向通路内の流体は妨害されずに流動する。これらの状態下にて、ブリーチ
プラグ1010内の分析物質は、カートリッジのチャンバ1042内に流動して
戻ることはない。洗浄ポート1046に入る流体1022(図15)は、シール
の内面を横断する直前に、分割されて、カートリッジからの流体が達すると同一
の箇所1024に向けられる。流体が洗浄ポート又はカートリッジの何れから来
るかを問わず、この箇所から同一の流路となる。流体は、図16に示すように、
分割された円形の経路内でシールを通って流動し、箇所1034にて収斂する。
この箇所から、流体は、出口ポート1038を通り、採取装置に流動する。この
洗浄は、相互の汚染を防止するため各抽出後に行われる。
抽出が完了すると、バルブ850、860、904が閉じられる。通気バルブ
894により圧力が解放される迄、チャンバ1006内の流体は滞留している。
このバルブは、電磁作動バルブであり、接続具876、884を有する管882
を通じてチャンバに接続され、また、通気リストラクター管890及び接続具8
88、892を有する過圧安全ダイヤフラム886に接続されている。次に、流
体は、接続具896によりバルブ894に接続された管898を通じて、装置か
ら安全な処分箇所に流動する。管から出る流体は、ガスである。
出口ポートから出る流体は、採取装置916のリストラクター912に流動す
る。接続具874、914を使用して出口ポートを電磁作動の出口バルブ906
に接続する管880がこの経路に沿って配置されている。次に、流体は、接続具
906を使用して接続された管908によりフィルタ910に流動する。流体は
、フィルタを通り、次に、バイアル914内に挿入されたリストラクター912
を通って流動する。
図16には、図13の線16−16に沿った断面図が示してあり、ブリーチプ
ラグ1010と抽出容器1042との間のシール、及び接続具872、874に
おける洗浄入口ポートと出口ポートとの間のシールがそれぞれ図示されている。
矢印は、上方及び下方シールの間で、接続具872から入って接続具874から
出る、洗浄流体が箇所1024から反時計方向及び時計方向に循環する状態を示
す。
図17には、その主要部品として、リストラクター912と、溶剤1442と
、プッシュ管936と、バイアル914と、溶剤ポート又は管926と、隔膜1
418とを備える採取装置916の部分断面図が示してある。抽出物質を含む流
体は、リストラクター912を通ってバイアル914の底部から出る。膨張する
気泡1424は、抽出物質を溶剤中に残して、溶剤1442を通って上方に上昇
する。
溶剤の上方のガス1426は、上昇を続け、隔膜1418のスリットを通って
流れる。この隔膜は、バイアルキャップ1420によりバイアル914の開口に
保持されている。隔膜のスリットは、リストラクターに対する通路を提供する。
この隔膜は、シリコンゴム、又はその他の可撓性のエラストマー材料で形成され
、テフロンが裏当てされている。バイアルから出るガスが通るための開口部がリ
ストラクターの両側部に、形成されるような方法で、リストラクターは、隔膜の
スリットを開放する。ガスはバイアルガイド1432の大きい開口部1438に
入る。バイアルガイドは、ばね1416により隔膜に対して密封されている。ば
ね1416の他端は、底部片1422に定着されている。また、大きい開口部1
438は、リストラクターの周りでフランジシール1430により密封されてい
る。
リストラクター912は、イングルウッド・カンパニー(Englewood Co.)の
スターリング・ステンレス・チューブ・カンパニー(Sterling Stainless Tube
Co.)から市販されているステンレス鋼管で形成した毛管リストラクターとする
ことが出来る。典型的な有効な溶剤は、液体ジクロロメタン及び液体イソプロパ
ノールである。隔膜は、シリコンゴム、又はその他の可撓性のエラストマー材料
で形成し、テフロンを裏当てしたものである(テフロンは、デラウエア州19898
、ウイルミングトンのデュポン・ディ・ヌムロス・E−I・アンド・カンパニー
(Dupont de Numours,E.I.and Co.)から販売されているテトラフロロエチレ
ン・フロロカーボン・ポリマーの商標名である)。
この構造は、ガスが周囲の要素に連通するのを阻止する。ガスは、管918を
通って背圧調節装置920(図14)に入る。この調節装置は、採取バイアル内
に圧力を蓄積させると共に、採取溶剤及び抽出物質の損失を少なくする。当然に
ミストは解消される。また、高圧であるため、激しい発泡作用が最小となり、採
取溶剤の量の測定が可能となる。
40乃至50psiの圧力が満足し得るものであり、また、5乃至200psiの範
囲の圧力でもよい。調節装置920から出るガスは、管922を通じて適当な処
分箇所に送られる。また、バイアルガイドは、圧力が安全値を超えたとき、圧力
がバイアルガイド1432を上方に押して、シールを破断させるように設計され
ている。そのため、ガラス製の採取バイアルの安全限界値を上廻る圧力に上昇す
ることが防止される。しかしながら、圧力によって破断することに伴う危険性を
少なくするため、バイアルは、包囲体内に配置されている。冷媒浴により採取容
器の温度を制御すること、及び多数の手動操作ニードルバルブにより容器の圧力
を制御することは、ナム(Nam)等により、Chemosphere 20、n.7−9、873−88
0頁(1990)に記載されている。
スリット付きの隔膜1418は、バイアル914をリストラクター912から
降ろして、バイアルラック(図示せず)内に配置したとき、完全な気密ではない
が、この隔膜は、バイアルがバイアルラック内にあるとき、採取溶剤及び抽出物
質の蒸発を略阻止する。スリットは、再度閉じる傾向となる。
バイアル内で追加的な溶剤が必要とされる場合、その溶剤の一部は、ポンプ9
28を使用してリザーバ932から送出することが出来る。流体は、管930を
通じてリザーバ932から送出され、管926を通ってバイアルガイドに送られ
る。流体は、バイアルガイド1432の開口部1438に入る。次に、流体は、
隔膜のスリットの同一の開口部を通ってバイアル内部に入り、また、このスリッ
トからガスが逃げる。
高圧で且つ低温であれば、捕捉率は、概ね向上する。故に、採取溶剤の温度を
予め冷却し且つその温度を維持するための手段が提供される。溶剤温度が低温で
あると、リストラクターの詰まり、及び氷の形成といった問題点が発生する。
図18には、その主要部品として、冷却管1614、1648、832と、ブ
ロック1618、1644と、電気ヒータ1620、1642とを備える加熱及
び冷却装置1631が示してある。これらのヒータ及び冷却装置は、採取バイア
ル914と選択的に熱接触するように配置されている。
この目的上、管1614、1648、832は、バイアル冷却組立体958(
図14)を通じてポンプに連通している。この組立体は、第一のティコネクタ8
20に接続されている。この接続は、接続具822、826により電磁バルブ8
28に取り付けられた管824によって行われる。次に、このバルブは、採取装
置の上方に配置された別のティコネクタ1652に接続される。
この接続は、管832、接続具830、1654により行われる。流体834
は、ティコネクタ1652に入り、2方向に分割される。次に、流体は、接続具
1612、1650によりティコネクタに取り付けられた二つのリストラクター
冷却管1614、1648内を流動する。この対のリストラクターは、可撓性材
料で形成しなければならず、その好適な実施例は、ステンレス鋼毛管である。管
832により供給された液体CO2が蒸発する結果、採取バイアル914及びそ
の中身が冷却する。リストラクターの各々は、バイアルの両側に対し同一の機能
を提供する。故に、バイアルの温度を制御する各構成要素は、両側に同一のもの
が設けられている。
リストラクター冷却管が取り付けられるブロック1618、1644は、バイ
アルの両側部にばねでクランプ止めされている。これらのブロックは、採取装置
のハウジング1412内に配置されている。このハウジングは、プラスチックの
ような非伝熱伝導性材料で形成することが望ましい。ブロックの各々は、ばねピ
ン1624、1638により、ハウジングに取り付けられている。ピンが貫通す
るブロックの開口部は、スロットである。これは、ブロックがバイアルに向けて
且つバイアルに離れる方向に動くのを可能にするのみならず、その回転をも可能
にする。これは、バイアルを所定位置に持ち上げるときに、バイアルの邪魔にな
らないようにブロックを動かすことを可能にする。この回転の結果、バイアル9
14よりも大きいバイアルキャップ1420からブロックが離れることが一層、
容易となる。回転させなかったならば、バイアルを持ち上げたときに、ブロック
が固着する可能性がある。
ばね1626、1636によりブロック1618、1644は、バイアルに押
し付けられる。これらのばねは、スロットよりも大きく、各ブロックの側部の開
口部内に挿入され、止めねじ1628、1634により所定位置に保持される。
ブロック1618、1644は、アルミニウム製であり、このアルミニウムは、
同様にブロック内に配置された電気ヒータ1620、1642から熱を伝導する
。
この熱伝導によって、熱はヒータからバイアルの面に伝達される。これらのヒ
ータ1620、1642及びCO2供給バルブ828は、バイアル914の液体
を満たした部分と熱接触した熱電対(図示せず)を備える従来の温度制御装置に
よって制御される。
バイアルを冷却すべく、冷却管は、ブロックの開口部1656、1658内に
伸長している。これらの開口部は、ブロックの全体を伸長し、箇所1630、1
632にてリストラクターの毛管から出る低温のCO2をバイアルに直接、供給
することを可能にする。ブロックの側部に沿って、小さい溝1622、1640
が形成されている。これらの溝は、バイアルの側部に沿ってCO2を案内して、
冷却を促進する通路を形成する。箇所1616、1646におけるCO2ガスは
、その周囲の要素に排気され、自然、又は強制的な空気対流によって排出される
。この技術は、バイアルの冷却の開始前に、ブロックを冷却する必要がないから
、、最小の時間で最大の冷却効果が得られる。
バイアル914は、バイアルリフト942により持ち上げられる。これは、図
14に最も良く示してある。ギアモータ944がギア946を駆動する。このギ
アは、駆動スクリュー940に取り付けられている。この駆動スクリューは、軸
受948により所定位置に保持されている。該駆動スクリューが回転すると、そ
の回転動作は、ガイドナット938により直線動作に変換される。このナットは
、バイアルを持ち上げるプッシュ管936に取り付けられている。このナットは
、頂部及び底部が定着されたガイドロッド952により、その回転が阻止される
。該プッシュ管936は、線形軸受934により案内される。
抽出後、流体は、過圧吹出しプラグ安全装置886、このときに開放するバル
ブ894及び大気通気管898を経て、管882を通じてチャンバ領域1006
から排出される。吹出し安全装置886は、常に、チャンバ1006に連通して
おり、12,500psiの圧力にて破断する吹出しディスクを内蔵している。このディ
スクは、50,000psi以上の圧力を保持し得るように設計されているため、危険な
破断を生じないように抽出容器1042(図15)を保護する。抽出容器104
2内での通常の最高作動圧力は、10,000psiである。
自動装置内で下方への流動を可能にするためには、CO2入口及び流れ分割器
は、チャンバの頂部に配置位置を変更しなければならない。これらの装置は、チ
ャンバの上方部分の狭小部分に嵌まり得るものでなければならず、入口ハウジン
グ、ばね、ノズル及びシール座金から成る組立体内に保持される。この流れ分割
器組立体は、抽出カートリッジの内部に及び外部にポンプが連通することを可能
にする。ノズル及びばねは、シール座金によりハウジング内に拘束されており、
ノズ
ル及びばねは、ばねがノズルをハウジング外に押し出して、チャンバ内に押し込
むような位置に配置されている。
チャンバ内に装填されたカートリッジがノズルをハウジング内に圧縮すると、
ばねからの力は、該ノズルとカートリッジとの間にシールを形成する。その結果
、チャンバの外側スペース1006内の流体は、蛇行路を通じてノズル1004
の外側の周りで後方に拡散しない限り、この流体がカートリッジに入るのが阻止
される。
また、ノズルを所定位置に保持する座金シールは、ハウジングを密封し、流体
が外部環境に漏洩するのを防止する。抽出中、流体は、ハウジング868に入り
、経路を通って、ばね及びノズルが配置されたキャビティ1002に流動する。
流体は、このキャビティから、カートリッジ又はチャンバの何れか一方と連通す
ることが出来る。ノズルは、その中央部を貫通する経路を有しており、この経路
は、流体をキャビティからカートリッジの入口に向ける。また、キャビティから
チャンバに至る経路を形成するスリットがノズルの側部の下方に形成されている
。この構造は、充填及び抽出中に、カートリッジの内側と外側との圧力を均一に
する。
流体がカートリッジ、従ってサンプルを通過した後、該流体は、そのサンプル
からの抽出物質を含んで、流体は、ブリッジプラグの開口部を通って進み、シー
ルを横断しで流動し、出口ポートから出ることを要する。抽出中、運ぶ抽出物質
の量が漸進的に少なくなる抽出流体によってシールは連続的に掃引される。これ
は、シールの上に抽出物質が蓄積するのを防止する。このため、この流路には、
デッドスペース、即ち、滞留領域があってはならない。
デッドスペースを回避するため、ブリッジプラグの出口ポートは、チャンバの
出口ポートから180°の角度に方向決めされている。その結果、流体は、シール
の全周に沿って掃引される。流体をシールの中心に向ける管1012がブリッジ
プラグの出口ポートに圧入されている。シール1020、1028の間に配置さ
れたシールスペース1024によって、流体は、シール内まで上方に導入される
。この流体は、4つの別の方向に分割され、チャンバの出口ポートに収斂する。
シールが清浄であることを確実にするため、洗浄ポートが設けられている。こ
のポートは、ポンプに連通し、ブリッジプラグの出口と同一の箇所に清浄な流体
を供給する。このポンプからの清浄な流体は、シールのみならず、その下流に配
置されたリストラクターを含む全ての管を洗浄する。
採取バイアルは、バイアルリフトによって採取装置組立体内に持ち上げられ、
所定の温度内に冷却され、次に、加熱又は冷却(必要であれば)が行われ、その
温度を維持する。また、その圧力がバイアル内で維持且つ制御されるようにバイ
アルは密封され、ガスは適当な箇所に排出される。
バイアルリフト機構は、サンプルカートリッジリフトと独立的に作用し、この
ことは、抽出過程の間、又はその後の任意の時点にて、抽出チャンバの圧力を逃
がすことなく、バイアルの交換が可能となる。この機構は、ギヤモータによって
駆動され、モータ、駆動スクリュー、ガイドナット及びプッシュ管から成ってい
る。駆動スクリュー及びガイドナットは、モータの回転を直線動作に変換し、こ
の直線動作がバイアルを採取組立体まで持ち上げる。
この採取組立体は、バイアルガイドと、フランジ付きのリストラクターと、ば
ねと、静止型リストラクターと、採取装置のハウジング1412とを収容してい
る。リストラクターは、ブロック1428によりハウジングに定着され、また、
バイアルの上方にその中心がある。バイアルガイドは、組み立てハウジングによ
って拘束されるが、その長さに沿って上下に摺動可能な構造にしてある。ガイド
には、フランジ付きシール1430を収容する大きい開口部が形成されており、
ガイドが移動するとき、リストラクターがこの開口部を貫通する。このシール、
及び隔膜1418に押し付けられる截頭円錐形の円錐体1440により提供され
るシールは、大きい開口部内のガス及び蒸気がその周囲の要素に連通するのを阻
止する。
バイアルを持ち上げる前、バイアルガイド1432は、張力ばね1416の作
用によって底部片1422(図17)付近に引っ張られる。バイアルは、最初に
、バイアルガイドの上に配置された截頭円錐形の円錐体1440に接触する。こ
の円錐体は、バイアルキャップ1420の頂部の穴に入り、静止リストラクター
がバイアル隔膜1418を通じて挿入される前に、バイアルガイド上にバイアル
の中心が位置するようにする。
該隔膜は、バイアルキャップ1420により所定位置に保持されており、該隔
膜は、リストラクターが貫入し、次に除去したときに、閉じることを可能にする
スリットを備えている。採取装置内にバイアルが存在しない場合、ハウジングの
張力ばね1416がバイアルガイド1432を下方に引っ張る。バイアルリフト
が、下降したバイアルガイドに接触するまで、バイアルを持ち上げる。次に、該
バイアルリフトは、図18に示すように、静止リストラクターがバイアルの底部
から約0.25インチの距離のその適正な位置に達するまで、バイアルガイド及びバ
イアルの双方を持ち上げる。ガイドとハウジングとの間に接続されたばね141
6は、ガイドをバイアルの隔膜の上まで下方に押し付け、それにより、その両者
の間にシールを形成する。このシール、及びリストラクターの周囲のシール14
30は、バイアル内への圧力の蓄積を可能にする。
バイアルガイドは、次の5つの基本的な機能がある。即ち、(1)バイアルを
適正な位置に案内すること。(2)そのばね力がバイアルをリストラクターから
離して、バイアルリフターがバイアルを下降させるときに、バイアルラック内に
戻し、その結果、バイアルが冷却により霜が付いても、バイアルが採取組立体内
に拘束されるのを防止すること。(3)截頭円錐形の円錐体1440に対する隔
膜を密封し且つリストラクターの周りに密封し、このシールは、少なくとも50ps
iの圧力を保持し得るようにすること。(4)バイアルに採取溶剤を添加するポ
ートを備えること。(5)採取ガス及び蒸気を排気するポートを有すること。
補充溶剤ポート926は、リストラクターがバイアルガイドの上で伸長する大
きい開口部1438と直交している。採取溶剤は、このポートを通じて、リザー
バからバイアル内に送出される。溶剤は、ポート及び大きい開口部を通り、隔膜
の空隙を通ってバイアルに入る。隔膜に予め形成したスリットからリストラクタ
ーを押し込んだとき、円形のリストラクターの一側部に、この空隙が形成される
。隔膜とバイアルガイドとのシールにより、及びリストラクターの周囲のシール
により、溶剤は、外部環境と連通しない。
大きい開口部に直交する通気ポートは、バイアル内部の圧力を制御する調節装
置に接続されている。リストラクターから出たガスは、溶剤ポートからの溶剤が
通るのと同一のリストラクターの周囲のスリット及び空隙を通ってバイアルから
出る。次に、ガスは、大きい開口部ポートを通って調節装置に流動する。ガス及
び蒸気は、該調節装置から適当な処分箇所に送られる。
バイアルの温度は、二つのアルミニウム製ブロック内に埋め込んだヒータ及び
CO2リストラクターによって制御され、これらのブロックは、バイアルに対し
てばねに押し付けられ、かみ合い面上で湾曲しており、このため、バイアル壁に
完全に接触する。また、これらブロックは、採取装置のハウジングに定着された
ピンにより所定位置に保持されている。このピンは、ブロックのスロットを通っ
て伸長し、このピンとブロックとの間に配置されたばねがブロックをバイアルに
押し付ける。このピン及びスロットの構造は、回転させることによりブロックが
バイアルキャップに出入りし、更に、バイアルキャップ及びバイアルの上で遊動
することを可能にする。
ブロックに埋め込んだヒータは、アルミニウム製ブロックからの熱伝導により
バイアルを加熱する。CO2タンク又はポンプの何れかに連通する冷却管がバイ
アルまで伸長する各ブロックの開口部内に挿入される。この構造は、最初に加熱
ブロックの全体を冷却せずに、CO2が冷却管から膨張して、バイアルに直接、
接触することを可能にする。ブロックを含むバイアルハウジングは、熱伝導に抵
抗するプラスチックで形成されており、これにより、所望の温度に達するために
加熱し又は冷却される熱質量を小さくする。
抽出過程のために制御される因子には、チャンバ及び熱交換器の温度、採取溶
剤の温度、採取バイアルの圧力、採取時間及び採取圧力、洗浄時間及び抽出のた
めに多数のバイアルが必要であるか否かが含まれる。従来のマイクロプロセッサ
採取制御装置は、全ての制御機能を提供する。
抽出過程を開始する前に、再充填バルブ806、冷却バルブ828、入口バル
ブ850、洗浄バルブ860及び出口バルブ904といった弁を閉じる。唯一の
例外は、通気バルブ894であり、このバルブは、このときは開放したままにし
ておいてよい。
ポンプ装置814が空である場合、再充填バルブ806を開放して、CO2シ
リンダ802がポンプ装置814に連通するのを可能にする。次に、ポンプを作
動させて再充填する。完了したならば、再充填バルブ806を閉じて、ポンプ装
置814を切換え運転に、所望の抽出圧力に加圧する。
バイアル914及びカートリッジ870は、上述の方法にて所定位置に持ち上
げられる。サンプルカートリッジ870は、ニトロニック60Rブリーチプラグ1
010を支持するカートリッジの昇降装置808により所定位置に持ち上げられ
る。ブリーチプラグは、図15の面に対して垂直な動作により、ロックし且つロ
ック解除するニトロニック(Nitronic)60の割型ロック止めバー1048により
所定位置にロックされる。この作用は、ウインチェスターモデル94のライフルの
ロック機構と同様である。ロック止めバーは、スロット付き板1050により抽
出容器1042に片持ち状に支持されている。該板1050及び容器1042は
、H1050まで焼入れした17−4PHステンレス鋼にて形成される。17−4PH及
びニトロニック60の材料を選択するのは、強度、耐食性及び捩れ抵抗性が得ら
れるからである。
ポンプ装置814の加圧後、通気バルブ894を閉じて、入口バルブ850を
開放する。これで、ポンプ装置814は、チャンバ1042に連通し、流れ分割
器1002、1004、1110を通じて、チャンバ1042、カートリッジ8
70の内部1014、1016及びその外部1006を加圧する。
チャンバ1042を加圧する間、所望であれば、バイアル914は、閉じても
よい。この場合、冷却バルブ828は、開放して、ポンプ装置814が冷却リス
トラクター1614、1648に連通することを可能にする。バイアル914は
、所定の温度に達するまで、冷却を続ける。この時点で、極めて低い温度が選択
されない限り、ヒータ1620、1642をその関係する温度制御装置により作
動させ、この温度を調節する。
ポンプ装置814がチャンバ1042をその所定の圧力に加圧したとき、出口
バルブ894が開放する。このとき、ポンプ装置814は、リストラクター、従
ってバイアル914に連通している。流体は、熱交換器854を通って流動し、
超臨界温度に加熱され、所定の超臨界温度にてカートリッジに入る。流体は、サ
ンプル1016を通過した後、ブリーチプラグ1010、シール1020、10
26を通ってリストラクター912に進む。バイアル914にて、通気ポートの
下流に圧力調節装置920が位置しているため、圧力の蓄積が生ずる。バイアル
内の所定の調節圧力に達したとき、ガス及び蒸気は、処分箇所に流れることにな
る。
抽出中、採取バイアル914内に追加の採取溶剤が必要とされる場合、ポンプ
928を作動させ、流体は、リザーバ932からバイアル914に送出される。
この抽出過程は、所定の時間だけ続行し、その終了時に、その過程を停止して
、新たなカートリッジ870及びバイアル914を装填し、又は温度及び圧力の
ような任意の抽出因子と共に、バイアル914だけを交換することも可能である
。この後者を選択する場合、洗浄バルブ860、及び入口バルブ850を開放し
て、所定の時間、超臨界流体による洗浄を行う。洗浄時間の終了時、洗浄バルブ
860及び出口バルブ904を閉じ、バイアル914を下降させて、上述の方法
にて新たなバイアルを挿入する。このとき、全ての因子が安定したならば、出口
バルブを再開放する。
サンプルカートリッジを抽出したならば、洗浄バイアルとすることが出来る新
たなバイアル914を選択する。各採取バイアルの後に、幾つかの洗浄バイアル
の群を連続的に使用することが出来る。各々に対して、洗浄バイアル860は、
別の所定の時間、開放し、新たな採取バイアルが装填されるまで、バイアルの装
填及び除去手順を反復する。各洗浄バイアルの交換に対して、汚染物質の希釈程
度は、指数関数的に増すから、同一群の洗浄バイアルを使用して、全ての採取バ
イアルの洗浄を行うことが可能である。
このサイクル後、それ以上バイアルを交換する必要がなくなったならば、出口
バルブ904及び入口バルブ850を閉じて、通気バルブ894は、チャンバを
通気するのに十分な時間、開放しておく。カートリッジ内部が狭小であるため、
該カートリッジは、カートリッジと圧力容器の内壁との間のスペースよりも速く
通気することが出来る。圧力差の発生を回避するため、リストラクターは、通気
速度を遅くして、カートリッジの通気速度に近くし、カートリッジと圧力容器の
内部との間の圧力差を小さくする。チャンバが大気圧であるとき、サンプルカー
トリッジ870及びバイアル914を除去し、装置は、別のサンプルに対する抽
出手順を繰り返す用意が整う。
上記の説明から理解されるように、超臨界抽出技術は、例えば、次のような幾
つかの利点がある。即ち、(1)抽出過程のサンプル抽出及び成分採取段階を自
動化し、また抽出手順自体も自動化すること。(2)抽出過程中、抽出チャンバ
を減圧することなく、バイアルの交換が可能であること。(3)捕捉効率に優れ
ること。(4)抽出物質/溶剤の損失が少ないこと。(5)リストラクターの凍
結及び詰まりが少ないこと。(6)バイアルの外側の着氷を少なくすること。(
7)サンプルマトリックスから特定の物質を除去し、その物質を別個のバイアル
内に入れることを可能にし得るように、温度及び圧力のような抽出条件が可能で
あること。(8)抽出中、バイアルを交換することにより、汚染について抽出運
動作用を観察するのに有用であること。(9)リフトのストロークが抽出カート
リッジの昇降装置に関係していないため、寸法の異なるバイアルを使用すること
が可能であること。(10)多数の洗浄ステーションを使用して、リストラクタ
ーの外部を洗浄することが可能であること。(11)抽出カートリッジ内で流体
を下方に流動させることで優れた抽出効率が得られること。
本発明の好適な実施例について、多少、詳細に説明したが、本発明から逸脱せ
ずに、この好適な実施例の多数の変形例及び応用例が可能である。故に、請求の
範囲の記載の範囲内で、本発明は、具体的に記載した以外の形態で実施すること
が可能であることを理解すべきである。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 ライシェスキ,フィリップ・バーナード,
ザ・サード
アメリカ合衆国ネブラスカ州68521,リン
カーン,ドッジ・サークル 2009
(72)発明者 ウィンター,ロビン・ランドール
アメリカ合衆国ネブラスカ州68503,リン
カーン,“ダブリュー”・ストリート
3801
(72)発明者 ジェームソン,ダニエル・ジーン
アメリカ合衆国ネブラスカ州68507,リン
カーン,ボールドウィン・ストリート
7421
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.超臨界流体抽出装置にして、 超臨界流体抽出を行う手段であって、圧力を保持する温度制御可能なチャンバ を有する手段と、 サンプルをチャンバ内に挿入する手段と、 該サンプルを保持し得るようにした着脱可能なプラグ手段と、 前記チャンバ及びプラグを密封する密封手段であって、抽出材と接触し得るよ うに可動である流動手段を備える密封手段と、 超臨界流体を前記サンプルを通じて下方に前記チャンバの頂部内に流動させ且 つプラグのポートから出るようにする手段と、を備えることを特徴とする超臨界 流体抽出装置。 2.請求の範囲第1項に記載の装置にして、抽出が略完了したとき、前記密封 手段を洗浄する手段を更に備えることを特徴とする装置。 3.請求の範囲第2項に記載の超臨界流体抽出装置にして、前記洗浄手段が、 抽出材が比較的高濃度の抽出物質を含むとき、抽出の早期の段階中、抽出材に接 触する密封手段の上の略退却した使用済みの抽出カートリッジからの流体の流れ を案内する手段を備えることを特徴とする超臨界流体抽出装置。 4.請求の範囲第2項に記載の超臨界流体抽出装置にして、前記洗浄手段が、 前記抽出材に接触する前記密封手段の領域の上方にて、洗浄流体を分配する手段 を備えることを特徴とする超臨界流体抽出装置。 5.請求の範囲第1項に記載の超臨界流体抽出装置にして、前記プラグが、前 記チャンバの底部に形成された開口部を通じてサンプルを前記チャンバ内に上昇 させることを特徴とする超臨界流体抽出装置。 6.請求の範囲第2項に記載の装置にして、流体を前記頂部から前記底部に流 動させる前記手段が、圧力容器の頂部に形成された流動入口と、プラグに形成さ れた出口ポートとを備え、前記プラグが、圧力容器の底部に配置されることを特 徴とする装置。 7.請求の範囲第6項に記載の装置にして、前記密封手段の洗浄手段が、各抽 出後に、流体の下方流路によって密封手段を掃引する手段を備え、サンプルが上 昇して分離する傾向が解消されるようにしたことを特徴とする装置。 8.請求の範囲第2項に記載の装置にして、洗浄相中に、前記洗浄手段が、流 体を抽出カートリッジをバイパスさせて、シールに直接、流動させる手段を備え ることを特徴とする装置。 9.超臨界流体抽出方法にして、 超臨界流体抽出を行う段階であって、サンプルを保持し得るようにした可動の プラグ手段の上で該サンプルをチャンバ内に上昇させることにより、該サンプル をチャンバ内に挿入する段階を含む実施段階と、 前記プラグ手段及びチャンバを密封する段階と、 超臨界流体がサンプルを通じて下方に前記チャンバの頂部内に流動し且つプラ グのポートから出るようにする段階と、を備えることを特徴とする超臨界流体抽 出方法。 10.請求の範囲第9項に記載の超臨界流体抽出方法にして、抽出が略完了した とき、密封手段を洗浄する段階を更に備えることを特徴とする超臨界流体抽出方 法。 11.請求の範囲第10項に記載の超臨界流体抽出方法にして、前記洗浄段階が 、抽出材が抽出物質を比較的高濃度で含むとき、抽出の初期の段階中、該抽出材 に接触する密封手段の上方にて略抽出された使用済みの抽出カートリッジから流 体の流れを導入する段階を備えることを特徴とする超臨界流体抽出方法。 12.請求の範囲第10項に記載の超臨界流体抽出方法にして、前記洗浄段階が 、前記抽出材と接触する前記密封手段の領域の上方にて洗浄流体を分配する段階 を備えることを特徴とする超臨界流体抽出方法。 13.請求の範囲第9項に記載の超臨界流体抽出方法にして、前記プラグが、前 記チャンバの底部の開口部を通じてサンプルを前記チャンバ内に上昇させること を特徴とする超臨界流体抽出方法。 14.請求の範囲第10項に記載の超臨界流体抽出方法にして、流体を頂部から 底部まで流動させる前記段階が、流体を圧力容器の頂部に形成された入口を通じ て下方に流動させ、圧力容器の底部に形成されたプラグの出口ポートから排出さ せる段階を含み、これにより、流体が下方に流動し、サンプルが上昇して成分に 分離する傾向を解消するようにしたことを特徴とする超臨界流体抽出方法。 15.請求の範囲第14項に記載の超臨界流体抽出方法にして、前記密封手段を 洗浄する前記段階が、各抽出後に前記密封手段を掃引して清浄にする段階を備え ることを特徴とする超臨界流体抽出方法。 16.請求の範囲第10項に記載の超臨界流体抽出方法にして、前記洗浄段階が 、洗浄相中、流体を抽出カートリッジをバイパスさせ、シールに直接、向かうよ うにする段階を備えることを特徴とする超臨界流体抽出方法。 17.超臨界流体抽出方法にして、 超臨界流体抽出を行う段階と、 分析物質を一連の容器内に採取する段階と、を備え、 分析物質を採取する該段階が、容器を所定位置に動かす段階と、その開口部を 容器の頂部ホルダーで密封する段階と、該容器を加圧する段階と、リストラクタ ーを前記容器内に挿入する段階とを備え、容器内の採取溶剤中にガス化された超 臨界流体が入るのが許容されるようにしたことを特徴とする超臨界流体抽出方法 。 18.超臨界流体抽出装置にして、 超臨界流体抽出を行う手段と、 分析物質を採取する採取手段とを備え、 前記採取手段が、超臨界流体抽出を行う前記手段と接触し、 前記採取手段が、バイアルを動かす手段と、採取バイアルの温度を制御する手 段とを備え、 温度を制御する前記手段が、前記バイアルと接触した、枢動させ且つ摺動可能 なアルミニウム製ブロックを備え、 該ブロックが、CO2冷却及び電気加熱手段の少なくとも一方を備えることを 特徴とする超臨界流体抽出装置。 19.請求の範囲第18項に記載の装置にして、前記採取手段が、前記バイアル 内の圧力を大気圧以上の圧力に制御する手段を備えることを特徴とする装置。 20.請求の範囲第18項に記載の超臨界流体抽出装置にして、 十分な溶剤の液位を維持する手段であって、液位を制御する装置を備える手段 と、 バイアル内の液位を検出する光学的検出手段とを更に備えることを特徴とする 超臨界流体抽出装置。 21.請求の範囲第20項に記載の超臨界流体抽出装置にして、 液位を維持する前記手段が採取溶剤の補充手段と、 採取バイアルが蒸発によって過度に多量の採取溶剤を損失したことを検出する 手段と、 該検出手段に応答して、採取溶剤を追加する手段とを備えることを特徴とする 超臨界流体抽出装置。 22.請求の範囲第21項に記載の超臨界流体抽出装置にして、バイアルに対す る温度及び正内圧力の制御を行う手段を有するバイアルの穿刺手段を更に備える ことを特徴とする超臨界流体抽出装置。 23.請求の範囲第18項に記載の超臨界流体抽出装置にして、前記採取手段が 、その一部に採取溶剤が満たされた多数の採取バイアルを備え、リストラクター が、該採取バイアルを通じて取り込んだ抽出材により該溶剤を発泡させることを 特徴とする超臨界流体抽出装置。 24.請求の範囲第23項に記載の装置にして、各バイアルが、その開放した上 端にスリット付きの隔膜を備え、リストラクターの端部をバイアル内に導入する のを許容することを特徴とする装置。 25.請求の範囲第24項に記載の装置にして、前記バイアルがカートリッジ昇 降装置と独立的なバイアルリフターによって持ち上げられることを特徴とする装 置。 26.請求の範囲第25項に記載の装置にして、前記採取容器が、抽出の開始前 に予め冷却され、次に、この温度を維持する熱が付与されることを特徴とする装 置。 27.請求の範囲第26項に記載の装置にして、前記採取手段が圧力を維持する 、調節装置と共に使用され、採取した分析物質及び採取溶剤のミスト及び蒸気を 少なくし得るように、前記採取バイアルが十分に加圧されることを特徴とする装 置。 28.超臨界流体抽出方法にして、 装置超臨界流体抽出を行う段階であって、バイアル内に分析物質を採取する段 階を含む実施段階と、 バイアルを動かす段階と、 採取バイアルの温度を制御する段階とを備えることを特徴とする超臨界流体抽 出方法。 29.請求の範囲第28項に記載の方法にして、前記バイアルが大気圧以上の圧 力まで加圧されることを特徴とする方法。 30.超臨界流体抽出装置にして、 超臨界流体抽出を行う手段と、 分析物質を採取する採取手段であって、 超臨界流体抽出を行う前記手段に接触した前記採取手段とを備え、 前記採取手段が採取バイアルを動かす手段を備え、 リストラクター手段と、 シール手段と、 バイアルをリストラクター及びシールまで上方に案内するばね手段と、 バイアルに付着した霜に拘わらず、前記バイアルを後方に付勢して採取機構か ら外す手段とを備えることを特徴とする超臨界流体抽出装置。 31.請求の範囲第30項に記載の超臨界流体抽出装置にして、前記リストラク ター手段が静止型であり、 バイアルを動かす前記手段が、該バイアルをリストラクターのバイアルの頂部 ホルダに沿って垂直上方に動かし、前記バイアル頂部ホルダが、バイアルの頂部 を拘束して、該バイアルをその上方まで案内する手段と、バイアルが完全に上昇 したとき、バイアルを密封するガイドホルダ手段とを備えることを特徴とする超 臨界流体抽出装置。 32.請求の範囲第30項に記載の超臨界流体抽出装置にして、 隔膜と、 分析物質を採取する採取手段であって、超臨界流体抽出を行う前記手段に接触 した採取手段とを更に備え、 該採取手段が採取バイアルを動かす手段を備え、 開口部を有するバイアルであって、該バイアルの開口部が、バイアルがリスト ラクターに接触していないとき、バイアルの少なくとも一部を密封する隔膜を保 持するバイアルとを備えることを特徴とする超臨界流体抽出装置。 33.請求の範囲第32項に記載の超臨界流体抽出装置にして、前記隔膜が前記 バイアル頂部ホルダに対する前記シールの一部を備えることを特徴とする超臨界 流体抽出装置。 34.超臨界流体抽出方法にして、 超臨界流体抽出を行う段階と、 採取バイアル内に分析物質を採取する段階と、 採取バイアルを動かす段階と、 ばね手段を使用して、バイアルをリストラクター及びシールまで上方に案内す る段階と、 バイアルに付着した霜に拘わらず、バイアルを下方に付勢して、採取機構から 外す段階とを備えることを特徴とする超臨界流体抽出方法。 35.請求の範囲第34項に記載の超臨界流体抽出方法にして、 バイアルをリストラクターのバイアルの頂部ホルダまで垂直上方に動かす段階 と、 バイアルをその上方に案内するためバイアルの頂部を拘束する段階と、 バイアルが完全に上昇したとき、バイアルを密封する段階とを備えることを特 徴とする超臨界流体抽出方法。 36.請求の範囲第34項に記載の超臨界流体抽出方法にして、 超臨界流体抽出を行う段階と、 採取バイアル内に分析物質を採取する段階と、 採取バイアルを動かす段階と、 バイアルがリストラクターに接触していないとき、バイアルを隔膜により密封 する段階とを備えることを更に特徴とする超臨界流体抽出方法。 37.請求の範囲第36項に記載の超臨界流体抽出方法にして、 隔膜によりバイアルをバイアルの頂部ホルダに密封する段階を備えることを特 徴とする超臨界流体抽出方法。
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