超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置
【課題】高圧下でも安定したシールが可能であり且つ高速開閉により高速なジェット噴射が可能な超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を提供する。
【解決手段】超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置は、超臨界流体導入部１１とジェット噴射出力部１２とを有する超臨界流体導入ハウジング１０と、超臨界流体導入ハウジング１０のジェット噴射出力部１２に配置されるオリフィス２０と、オリフィス２０を押圧することでジェット噴射出力部１２をシールするプランジャ３０とからなる。プランジャ３０は、超臨界流体導入ハウジング１０に一部分が挿入される。付勢部４０によりプランジャ３０をオリフィス２０側に付勢する。駆動部５０は、外部入力信号に応じてプランジャ３０をオリフィス２０と反対側に駆動させる。
【解決手段】超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置は、超臨界流体導入部１１とジェット噴射出力部１２とを有する超臨界流体導入ハウジング１０と、超臨界流体導入ハウジング１０のジェット噴射出力部１２に配置されるオリフィス２０と、オリフィス２０を押圧することでジェット噴射出力部１２をシールするプランジャ３０とからなる。プランジャ３０は、超臨界流体導入ハウジング１０に一部分が挿入される。付勢部４０によりプランジャ３０をオリフィス２０側に付勢する。駆動部５０は、外部入力信号に応じてプランジャ３０をオリフィス２０と反対側に駆動させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置に関し、特に、所定の間隔で超臨界流体を高圧のまま気体状にジェット噴射可能なパルスバルブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従前からパルスバルブ装置は種々の用途に用いられており、分析装置用や自動車エンジンの燃料噴射用等において極めて重要な部品となっている。
【０００３】
近来、次世代の分析技術として、超臨界流体ジェット分析法が注目されている。これは、超臨界流体をジェット噴射し、断熱膨張冷却（ジェット冷却）による分子の内部状態の単色化と高輝度波長可変レーザを組み合わせることにより、単一分子と同等の情報を得ることができる分析法である。この超臨界流体ジェット分析法に用いられるパルスバルブ装置については、概ね以下の条件を満たす必要がある。
（１）超臨界流体に対して安定なシール方式であること
（２）噴射部での圧力降下がないこと
（３）高圧下（約１０ＭＰａ以上）でも安定に高速開閉（開時間が約１００μｓ以下）可能であること
（４）噴射部周辺が約１００℃以上に加熱可能なこと
【０００４】
上記条件（１）について、高圧ガスや流体等をシールするためには、隙間からガスが漏れ出さないように隙間を完全に密着するよう構成するのが一般的である。より具体的には、隙間を構成する物体の一方を弾性体とし、他方の物体をこれに押し付けることにより両物体の密着性を高めることでシールしている。弾性体として通常用いられるのはゴムであるが、超臨界流体のシールにゴムは用いることができない。これは、超臨界流体は浸透性が高いので、超臨界流体にゴムが晒されるとゴムに超臨界流体が浸透してしまうためである。したがって、シールするための材質の選択が重要となる。完全に閉め切る場合においてはメタルガスケット等を用いることが可能であるが、バルブのように頻繁に開閉する箇所にメタルガスケットは用いることができない。また、弾性体を用いないシール方法としては、隙間を構成する物体の両接触面を高平滑度仕上げにし、面接触によりシールするものがある。これは、金属−金属や金属−合成樹脂（エンジニアリングプラスチック）間で適用されるのが一般的である。
【０００５】
また、上記条件（２）については、超臨界流体ジェット分析法においては特に重要な条件である。超臨界流体ジェット分析法は、超臨界流体溶液を真空中にジェット噴射することで得られるジェット冷却効果によりジェット中の分子を極低温状態に冷却する方法である。このとき、高いジェット冷却効果を得るためには、噴射口であるオリフィス前後での圧力差を大きくする必要がある。ジェット噴射時にバルブを通過する過程で圧力降下が起こると、オリフィス前後での実効的な圧力差が小さくなってしまうため、高いジェット冷却効果が得られなくなってしまう。なお、超臨界流体の圧力を一定に保つための装置としてバックプレッシャレギュレータという市販の装置に超臨界流体用のパルスバルブが用いられているが、これはニードル弁を用いており噴射口における圧力降下が大きいため、超臨界流体のジェット噴射用のパルスバルブとしては用いることができない。
【０００６】
また、上記条件（３）については、バルブ装置が高圧下で高速開閉するためには、瞬間的に大きな力を発生可能な駆動方式が必要となる。駆動方式としては、ソレノイド方式や圧電素子方式、超磁歪素子方式等が挙げられる。
【０００７】
そして、上記条件（４）については、バルブ付近で超臨界状態を保つために必要な条件である。
【０００８】
さて、例えば１０ＭＰａ程度の圧力下で動作可能なパルスバルブ装置としては、テルアビブ大学で開発されたＥｖｅｎ−Ｌａｖｉｅバルブが存在する（非特許文献１）。これは駆動方式としてソレノイド方式を採用したバルブ装置であり、２００℃程度までの過熱が可能である。バルブのシールは、金属製プランジャと金属製オリフィスの間に合成樹脂（例えばポリイミド）フィルムを挟んだ金属−合成樹脂の面接触方式を用いている。ソレノイド方式のバルブは、ソレノイドに大電流（２００Ａ−４００Ａ）を印加することによって瞬間的に大きな力を発生させている。
【０００９】
【非特許文献１】Ｕ． Ｅｖｅｎ， Ｊ． Ｊｏｒｔｎｅｒ， Ｄ． Ｎｏｙ， ａｎｄ Ｎ． Ｌａｖｉｅ， ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＰＨＹＳＩＣＳ， Ｖｏｌ． １１２， Ｎｏ． １８， ｐｐ． ８０６８−８０７１， ８ ＭＡＹ ２０００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述の非特許文献１に開示のパルスバルブ装置においては、安定動作可能な圧力が１０ＭＰａ程度が限界であり、それ以上の圧力ではガスの噴射が困難となっていた。すなわち、高圧になればなるほどプランジャがオリフィスに押し付けられ、高圧ではソレノイドによる開動作を行えなくなっていた。また、超臨界流体の圧力が高くなってくると、限界圧力まで達さない状態であってもプランジャをソレノイドで駆動させるための力が大きくなり、プランジャを高速駆動できなくなっていた。このパルスバルブ装置を用いたとしても、超臨界流体ジェットを発生させることはできなくもなかったが、１０ＭＰａ程度の圧力では超臨界流体の溶解力が低く、高濃度の試料溶液を得ることはできなかった。したがって、非特許文献１に開示のようなパルスバルブ装置は、超臨界流体ジェット分析法に用いられるパルスバルブ装置として適用するのには向いていなかった。
【００１１】
超臨界ジェット法は、固体試料を高温に加熱することなく気化して真空中に導入する方法であり、固体試料の質量分析や有機分子の真空蒸着等への応用が期待されている。この方法では、高圧ガスを高真空容器に導入するため、真空度を維持するには真空容器の排気ポンプの高速化だけでなく、パルスバルブ装置のジェット噴射の短パルス化が不可欠となってくる。また、超臨界流体の溶解力は高圧になるほど高くなるため、高濃度の超臨界流体溶液を得るためにはより高圧の超臨界流体をジェット噴射する必要がある。現在入手可能なパルスバルブ装置では、非特許文献１のように、１０ＭＰａ程度の圧力下でしか安定動作せず、より高濃度の超臨界流体溶液のジェット噴射は困難であった。
【００１２】
本発明は、斯かる実情に鑑み、高圧下でも安定したシールが可能であり且つ高速開閉により高速なジェット噴射が可能な超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置は、超臨界流体導入部とジェット噴射出力部とを有する超臨界流体導入ハウジングと、超臨界流体導入ハウジングのジェット噴射出力部に配置されるオリフィスと、オリフィスを押圧することでジェット噴射出力部をシールするプランジャであって、超臨界流体導入ハウジングに一部分が挿入されるプランジャと、プランジャをオリフィス側に付勢する付勢手段と、外部入力信号に応じてプランジャをオリフィスと反対側に駆動させる駆動手段と、を具備するものである。
【００１４】
ここで、オリフィスは、ポリイミド製凸状基部と、該ポリイミド製凸状基部の凸部周囲に設けられる金属製リングと、からなるものであっても良い。
【００１５】
また、プランジャは、セラミックス製であれば良い。
【００１６】
また、付勢手段は、付勢基部と弾性体とからなるものであっても良い。
【００１７】
さらに、プランジャは、付勢手段に固定されていても良い。
【００１８】
また、駆動手段は、付勢手段をオリフィスと反対側に引っ張ることでプランジャを駆動させるものであっても良い。
【００１９】
また、駆動手段は、圧電素子アクチュエータからなるものであっても良い。
【００２０】
さらに、超臨界流体導入ハウジングと付勢手段との間に、断熱用フランジを具備していても良い。
【００２１】
さらにまた、駆動手段に入力される外部入力信号は、ジェット噴射される超臨界流体のレーザイオン化用パルスレーザの制御信号と同期するものであっても良い。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置には、高圧下でも安定したシールが可能であり且つ高速開閉により高速なジェット噴射が可能であるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を説明するための長手方向断面図である。超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１は、超臨界流体導入ハウジング１０、オリフィス２０、プランジャ３０、付勢部４０、駆動部５０とから主に構成される。
【００２４】
超臨界流体導入ハウジング１０は、例えば略円筒形を有する筐体であり、超臨界流体が満たされる部分である。超臨界流体導入ハウジング１０は、超臨界流体導入部１１とジェット噴射出力部１２とを有する。超臨界流体導入部１１から超臨界流体が超臨界流体導入ハウジング１０内に導入され、また、パルスバルブ動作により超臨界流体がジェット噴射出力部１２から超臨界流体ジェットとして噴射される。
【００２５】
また、オリフィス２０は、ジェット噴射出力部１２、より具体的には超臨界流体導入ハウジング１０内のジェット噴射出力部１２を覆うように配置される。オリフィスは流路中に設けられる所謂絞りであり、ガスや流体を真空槽等に導入する場合や、実効排気速度を意図的に小さくする場合等に用いられるものである。本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１に用いられるオリフィス２０は、中央部に超臨界流体が通る極小孔が設けられた凸状基部から構成されており、合成樹脂、好ましくはポリイミド樹脂からなる。ポリイミド樹脂は、所謂エンジニアリングプラスチックであり、耐熱性や耐摩耗性に優れるものである。凸状基部全体をポリイミド樹脂で構成することにより、金属性凸状基部にフィルム状のポリイミド樹脂を配置した場合と比べて変形や剥がれ等に対して有利となる。また、変形防止や耐久性をより高めるために、本発明で用いられるオリフィス２０は、凸状基部の凸部周囲に、金属製リング２１が設けられている。金属製リング２１は、耐腐食性等を考慮すると、ステンレス製であることが好ましい。
【００２６】
プランジャ３０は、オリフィス２０を押圧することでジェット噴射出力部をシールするものである。より具体的には、プランジャ３０をオリフィス２０に押し付けることで、オリフィスの極小孔周囲とプランジャ先端との面接触により、オリフィス２０の極小孔をシールする。オリフィス２０の極小孔を塞ぐプランジャ３０の形状をなるべく小さくし、プランジャ３０を一気に引き上げることにより、瞬間的に圧力降下の無いガス流路が形成できる。プランジャ３０は先端部を細く加工し、さらに先端面に高い平滑性が要求されるため、セラミックス製であることが好ましい。より好ましくは、プランジャ３０にはジルコニアセラミックスが用いられる。ジルコニアセラミックスは、セラミックスの中でも最強の強度を持つ材料である。これは、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）に少量の酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を含む金属酸化物であり、９００ＭＰａ−１３００ＭＰaの高圧に耐え得る材料である。また、研磨により平滑度の高い表面を容易に形成可能である。
【００２７】
このような材料で構成されるプランジャ３０の一部分を、超臨界流体導入ハウジング１０に挿入する。すなわち、図１に示されるように、プランジャ３０のオリフィス２０に押し付けられる部分である先端部側を超臨界流体導入ハウジング１０内に挿入する。そして、パッキン１３を介してプランジャ３０が超臨界流体導入ハウジング１０外部に露出するように各寸法が調整される。このように、プランジャの一部分を高圧下に配置し、一部分を低圧下、例えば大気圧下に配置することで、超臨界流体導入ハウジング１０内の圧力が高くなると、プランジャ３０に対して、低圧側、すなわちオリフィス２０と反対側に力が働くようになる。なお、パッキン１３については、従来から用いられているものを用いれば良い。
【００２８】
また、付勢部４０は、プランジャ３０をオリフィス２０側に押し付けるものである。付勢部４０は、付勢基部４１と弾性体４２とから主に構成される。すなわち、付勢基部４１がプランジャ３０と接続され、弾性体４２が付勢基部４１をオリフィス２０側に付勢することで、プランジャ３０をオリフィス２０に高圧で押し付けることが可能となる。弾性体４２としては、図示例では螺旋ばねが示されるが、本発明はこれに限定されず、板ばねやゴム等、高圧で付勢可能なものであれば如何なるものであっても構わない。さらに、弾性体として種々の機械的なアクチュエータ等を用いることも可能である。図示例の螺旋ばねである弾性体４２は、その一方端で付勢基部４１を押圧し、他方端がブラケット４３で止められている。また、付勢部４０の押圧力としては、例えば約３０ＭＰａ以上で付勢可能であれば、例えば２０ＭＰａ以上の高圧流体であってもシールすることが可能となる。なお、シール可能な圧力限界は、プランジャ３０をオリフィス２０に押し付ける付勢部４０の力に依存している。圧力限界以下では常にバルブは閉の状態であり、プランジャ３０を付勢部４０による付勢力よりも大きい力で引き上げることによりバルブが開の状態となる。
【００２９】
ここで、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置においては、プランジャ３０が高圧下の超臨界流体導入ハウジング１０内に一部分が挿入されており、一部分が大気圧下に露出しているため、超臨界流体導入ハウジング１０内の圧力が高くなると、プランジャ３０には超臨界流体導入ハウジング１０内から押し出されるような力が働き、したがってプランジャ３０にはオリフィス２０とは反対側の力が働く。このため、プランジャ３０とオリフィス２０との間のシール部分は、シール可能な圧力限界以下の状態において、超臨界流体導入ハウジング１０内の圧力が高ければ高いほどバルブを開の状態とするプランジャ３０の引き上げ力を小さくすることが可能となる。
【００３０】
さて、このように構成されたプランジャ３０をオリフィス２０と反対側に駆動することでバルブを開の状態とするための機構が駆動部５０である。駆動部５０は、例えば圧電素子方式のアクチュエータからなるものであり、外部入力信号に応じてプランジャ３０をオリフィス２０と反対側に駆動させるものである。ここで、プランジャ３０は、付勢基部４１に固定されていることが好ましい。勿論プランジャ３０が非固定状態であっても構わないが、バルブの高速開閉動作を行うためには、駆動部５０からの応答性を高めるためにプランジャ３０が付勢基部４１に固定されている。また、駆動部５０はプランジャ３０を直接引き上げる構造であっても構わないが、図示例のように付勢部４０を引っ張ることでプランジャ３０を駆動させるものであっても良い。なお、図示例では付勢基部４１とプランジャ３０は別体のものとして示しているが、本発明はこれに限定されず、一体的に構成されたものであっても構わない。
【００３１】
図示例において、付勢部４０の付勢基部４１から伸びる駆動用端部４５を駆動部５０の一方端により押圧する。駆動部５０の他方端は付勢部４０のハウジングや超臨界流体導入ハウジング１０等に固定され、これにより付勢基部４１に固定されるプランジャ３０をオリフィス２０と反対側に駆動することが可能となる。駆動部５０は、付勢部４０による付勢力から超臨界流体導入ハウジング１０内の圧力による押し出し力を引いた力よりも大きい力でプランジャ３０を駆動可能なものであれば良い。
【００３２】
なお、駆動部５０として図示例では圧電素子方式の圧電素子アクチュエータを示したが、本発明はこれに限定されず、高速開閉可能な瞬間的に大きな力を発生可能なものであれば、圧電素子方式に比べて発生する力は低いがソレノイド方式や磁歪素子方式等、種々の方式が使用可能である。圧電素子アクチュエータからなる駆動部５０は、電圧を印加すると伸長するが、ストローク距離は小さい（数百μｍ以下）。しかしながら、瞬間的に大きな力（数千Ｎ）を発生させることが可能なため、本発明の駆動部に用いられるのに適している。また、圧電素子アクチュエータは熱に弱いため、１００℃以上に加熱するバルブ先端部からは距離を置くことが好ましい。
【００３３】
次に、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、付勢部４０と駆動部５０の他の構造の例について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の他の例を説明するための長手方向断面図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしているため、詳説は省略する。図２に示されるように、この図示例では、付勢部４０の付勢基部４１から伸びる駆動用端部４７が、付勢基部４１を駆動部５０で駆動するときに均一に駆動部５０の力を付勢基部４１に伝えるため、付勢基部４１の中心線を中心に対象となるように構成されている。これにより付勢基部４１が撓んだりすることを防止し、より正確にバルブを開閉することが可能となると共に耐久性を向上することも可能となる。
【００３４】
さらに、熱に弱い圧電素子アクチュエータをより熱的に分離するための構造を以下に説明する。図３は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の他の例を説明するための長手方向断面図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしているため、詳説は省略する。図３に示されるように、この図示例では、超臨界流体導入ハウジング１０と付勢部４０との間に、断熱用フランジ６０を設けている。断熱用フランジ６０は、例えばセラミックス製のフランジであり、バルブ先端部である超臨界流体導入ハウジング１０が加熱されても駆動部５０側にその熱が伝わらないように配置されている。これにより、駆動部５０として熱に弱い圧電素子アクチュエータを用いたとしても、より熱の影響を受けにくくなる。
【００３５】
以下、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を実際に製作し、その試験を行った結果について説明する。以下、具体的に設計した寸法や材質等を示すが、これはあくまでも一例であって、本発明がこれらの数値や材質等に限定されるものではないことが理解されるべきである。超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１において、まず超臨界流体導入ハウジング１０等の金属部分はＳＵＳ３１６を用いた。また、ポリイミド樹脂からなるオリフィス２０のオリフィス径を０．５ｍｍ、ジルコニアセラミックス製のプランジャ３０の直径を３．１７ｍｍ、プランジャ３０の先端部の直径を１．２ｍｍとした。また、付勢部４０の弾性体４２である螺旋ばねによるプランジャ３０の付勢力を約２４０Ｎに調整し、シール可能な圧力限界を約３０ＭＰａに調整した。このとき、プランジャ３０の先端部は、約２１０ＭＰａの圧力でオリフィス２０に押し付けられている。そして、駆動部５０である圧電素子アクチュエータとしては、松下プレシジョン株式会社製のピエゾアクチュエータＰＺ２０−１２５を用いた。なお、圧電素子アクチュエータが発生する力は約３２００Ｎであり、プランジャ３０を押し付ける螺旋ばねの力に比べて十分大きいものである。
【００３６】
このように製作された本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を、以下に説明する環境下で検証した。図４は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の試験環境の模式図である。なお、同図は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を超臨界流体ジェット分析に適用する場合と同様の環境である。図示のように、炭酸ガスボンベ６０から５ＭＰａ−６ＭＰａ程度の炭酸ガスを液化炭酸送液ポンプ６１に供給し液化炭酸ガスを得た。なお、液化炭酸送液ポンプ６１には、日本分光株式会社製の超臨界ＣＯ２送液ポンプＳＣＦ−Ｇｅｔを用いた。そして、液化炭酸ガスをオーブン６２に供給し、６０℃に過熱することで超臨界ＣＯ２を得た。なお、オーブン６２には、日本分光株式会社製の超臨界抽出用オーブンＳＣＦ−ＬＲＯを用いた。この超臨界ＣＯ２を２つに分岐し、一方を自動圧力調整バルブ６３に接続し、超臨界ＣＯ２を所定の圧力となるように保持した。なお、自動圧力調整バルブ６３には、日本分光株式会社製の全自動バックプレッシャレギュレータＳＣＦ−Ｂｐｇを用いた。また、超臨界ＣＯ２の他方を本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１に接続し、所定の圧力の超臨界ＣＯ２を超臨界流体導入部１１から超臨界流体導入ハウジング１０内に導入した。なお、超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１は、真空チャンバ７０に挿入されている。そして、パルス発生器６５により幅及び電圧可変の矩形パルスを発生させた。なお、パルス発生器６５には、米国スタンフォードリサーチシステムズ社製のデジタル遅延パルス発生器ＤＧ５３５を用いた。そして、この矩形パルスを圧電素子駆動用電源６６に入力し、超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１の駆動部５０である圧電素子アクチュエータの外部入力信号とした。圧電素子駆動用電源６６には、松下プレシジョン株式会社製の大電力高速ピエゾドライバＨＥＰＺ−０．１５Ｐ５Ａを用いた。圧電素子駆動用電源６６に入力するパルス発生器６５からの矩形パルスの幅と電圧を可変することにより、パルスバルブの開閉時間及びプランジャの移動距離を制御することが可能である。
【００３７】
このように構成された装置において、まずバルブが閉状態でガス漏れが無いことを確認した。超臨界流体導入ハウジング１０に供給する超臨界ＣＯ２の圧力を徐々に上昇させると、３０ＭＰａを越えた付近でバルブ先端からのガス漏れが確認され、設計通りの挙動を示した。
【００３８】
次に、バルブが閉状態（３０ＭＰａ以下）で、圧電素子駆動用電源６６にパルス発生器６５から２Ｖ，１００μｓの矩形パルスを５０ｍｓ間隔（２０Ｈｚ）で供給し、圧電素子アクチュエータを駆動させた。これにより、真空チャンバ７０内にパルス状にガスがジェット噴射された。また、パルス発生器６５からの矩形パルスの供給を止めると、パルスジェット噴射は直ちに止まり、このときバルブ先端からの漏れはまったく無かった。このように、パルスバルブ装置の正常動作が確認された。さらに、１００μｓ以下の矩形パルスを供給してもバルブは安定動作し、１００μｓ以下のパルスジェット噴射が確認された。
【００３９】
さらに、バルブ先端部を１００℃以上に加熱した際でも、圧電素子アクチュエータ部の温度上昇は無く、圧電素子アクチュエータは問題無く動作した。
【００４０】
このように、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置によれば、上述の背景技術の欄で挙げた条件（１）−（４）をいずれも満たすものであり、高圧下でも安定したシールが可能であり且つ高速開閉により高速なジェット噴射が可能な超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置が実現できる。これにより、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を用いた超臨界流体ジェット法では、固体試料や生体試料等の、不揮発性、熱分解性試料の質量分析が可能となるほか、有機分子の非加熱真空蒸着法等が実現可能となる。
【００４１】
さらに、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を用いた超臨界流体ジェット分析法においては、図４に示されるように、ジェット噴射される超臨界流体のレーザイオン化用パルスレーザ６８の制御信号として、パルス発生器６５のパルス信号を用いることができる。すなわち、駆動部５０に入力される外部入力信号とレーザイオン化用パルスレーザ６８に制御信号とを同期させることが可能となる。これにより、効率的且つ正確に質量分析を行うことが可能となる。
【００４２】
なお、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置は、超臨界流体導入ハウジング内に一部分が挿入されるプランジャをオリフィス側に付勢する付勢部と、バルブ駆動するためにオリフィスと反対側にプランジャを駆動させる駆動部とを有するものである。したがって、その具体的構造は上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４３】
また、例えば、プランジャの材質については上述の図示例ではセラミックス製であること説明したが、セラミックス製に限定されず、金属製であっても構わない。また、オリフィスについても金属性であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を説明するための長手方向断面図である。
【図２】図２は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の他の例を説明するための長手方向断面図である。
【図３】図３は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の他の例を説明するための長手方向断面図である。
【図４】図４は、製作された本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の試験環境の模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置
１０ 超臨界流体導入ハウジング
１１ 超臨界流体導入部
１２ ジェット噴射出力部
１３ パッキン
２０ オリフィス
２１ 金属製リング
３０ プランジャ
４０ 付勢部
４１ 付勢基部
４２ 弾性体
４３ ブラケット
４５ 駆動用端部
４７ 駆動用端部
５０ 駆動部
６０ 断熱用フランジ
６０ 炭酸ガスボンベ
６１ 液化炭酸送液ポンプ
６２ オーブン
６３ 自動圧力調整バルブ
６５ パルス発生器
６６ 圧電素子駆動用電源
６８ レーザイオン化用パルスレーザ
７０ 真空チャンバ
【技術分野】
【０００１】
本発明は超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置に関し、特に、所定の間隔で超臨界流体を高圧のまま気体状にジェット噴射可能なパルスバルブ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従前からパルスバルブ装置は種々の用途に用いられており、分析装置用や自動車エンジンの燃料噴射用等において極めて重要な部品となっている。
【０００３】
近来、次世代の分析技術として、超臨界流体ジェット分析法が注目されている。これは、超臨界流体をジェット噴射し、断熱膨張冷却（ジェット冷却）による分子の内部状態の単色化と高輝度波長可変レーザを組み合わせることにより、単一分子と同等の情報を得ることができる分析法である。この超臨界流体ジェット分析法に用いられるパルスバルブ装置については、概ね以下の条件を満たす必要がある。
（１）超臨界流体に対して安定なシール方式であること
（２）噴射部での圧力降下がないこと
（３）高圧下（約１０ＭＰａ以上）でも安定に高速開閉（開時間が約１００μｓ以下）可能であること
（４）噴射部周辺が約１００℃以上に加熱可能なこと
【０００４】
上記条件（１）について、高圧ガスや流体等をシールするためには、隙間からガスが漏れ出さないように隙間を完全に密着するよう構成するのが一般的である。より具体的には、隙間を構成する物体の一方を弾性体とし、他方の物体をこれに押し付けることにより両物体の密着性を高めることでシールしている。弾性体として通常用いられるのはゴムであるが、超臨界流体のシールにゴムは用いることができない。これは、超臨界流体は浸透性が高いので、超臨界流体にゴムが晒されるとゴムに超臨界流体が浸透してしまうためである。したがって、シールするための材質の選択が重要となる。完全に閉め切る場合においてはメタルガスケット等を用いることが可能であるが、バルブのように頻繁に開閉する箇所にメタルガスケットは用いることができない。また、弾性体を用いないシール方法としては、隙間を構成する物体の両接触面を高平滑度仕上げにし、面接触によりシールするものがある。これは、金属−金属や金属−合成樹脂（エンジニアリングプラスチック）間で適用されるのが一般的である。
【０００５】
また、上記条件（２）については、超臨界流体ジェット分析法においては特に重要な条件である。超臨界流体ジェット分析法は、超臨界流体溶液を真空中にジェット噴射することで得られるジェット冷却効果によりジェット中の分子を極低温状態に冷却する方法である。このとき、高いジェット冷却効果を得るためには、噴射口であるオリフィス前後での圧力差を大きくする必要がある。ジェット噴射時にバルブを通過する過程で圧力降下が起こると、オリフィス前後での実効的な圧力差が小さくなってしまうため、高いジェット冷却効果が得られなくなってしまう。なお、超臨界流体の圧力を一定に保つための装置としてバックプレッシャレギュレータという市販の装置に超臨界流体用のパルスバルブが用いられているが、これはニードル弁を用いており噴射口における圧力降下が大きいため、超臨界流体のジェット噴射用のパルスバルブとしては用いることができない。
【０００６】
また、上記条件（３）については、バルブ装置が高圧下で高速開閉するためには、瞬間的に大きな力を発生可能な駆動方式が必要となる。駆動方式としては、ソレノイド方式や圧電素子方式、超磁歪素子方式等が挙げられる。
【０００７】
そして、上記条件（４）については、バルブ付近で超臨界状態を保つために必要な条件である。
【０００８】
さて、例えば１０ＭＰａ程度の圧力下で動作可能なパルスバルブ装置としては、テルアビブ大学で開発されたＥｖｅｎ−Ｌａｖｉｅバルブが存在する（非特許文献１）。これは駆動方式としてソレノイド方式を採用したバルブ装置であり、２００℃程度までの過熱が可能である。バルブのシールは、金属製プランジャと金属製オリフィスの間に合成樹脂（例えばポリイミド）フィルムを挟んだ金属−合成樹脂の面接触方式を用いている。ソレノイド方式のバルブは、ソレノイドに大電流（２００Ａ−４００Ａ）を印加することによって瞬間的に大きな力を発生させている。
【０００９】
【非特許文献１】Ｕ． Ｅｖｅｎ， Ｊ． Ｊｏｒｔｎｅｒ， Ｄ． Ｎｏｙ， ａｎｄ Ｎ． Ｌａｖｉｅ， ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＣＨＥＭＩＣＡＬ ＰＨＹＳＩＣＳ， Ｖｏｌ． １１２， Ｎｏ． １８， ｐｐ． ８０６８−８０７１， ８ ＭＡＹ ２０００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述の非特許文献１に開示のパルスバルブ装置においては、安定動作可能な圧力が１０ＭＰａ程度が限界であり、それ以上の圧力ではガスの噴射が困難となっていた。すなわち、高圧になればなるほどプランジャがオリフィスに押し付けられ、高圧ではソレノイドによる開動作を行えなくなっていた。また、超臨界流体の圧力が高くなってくると、限界圧力まで達さない状態であってもプランジャをソレノイドで駆動させるための力が大きくなり、プランジャを高速駆動できなくなっていた。このパルスバルブ装置を用いたとしても、超臨界流体ジェットを発生させることはできなくもなかったが、１０ＭＰａ程度の圧力では超臨界流体の溶解力が低く、高濃度の試料溶液を得ることはできなかった。したがって、非特許文献１に開示のようなパルスバルブ装置は、超臨界流体ジェット分析法に用いられるパルスバルブ装置として適用するのには向いていなかった。
【００１１】
超臨界ジェット法は、固体試料を高温に加熱することなく気化して真空中に導入する方法であり、固体試料の質量分析や有機分子の真空蒸着等への応用が期待されている。この方法では、高圧ガスを高真空容器に導入するため、真空度を維持するには真空容器の排気ポンプの高速化だけでなく、パルスバルブ装置のジェット噴射の短パルス化が不可欠となってくる。また、超臨界流体の溶解力は高圧になるほど高くなるため、高濃度の超臨界流体溶液を得るためにはより高圧の超臨界流体をジェット噴射する必要がある。現在入手可能なパルスバルブ装置では、非特許文献１のように、１０ＭＰａ程度の圧力下でしか安定動作せず、より高濃度の超臨界流体溶液のジェット噴射は困難であった。
【００１２】
本発明は、斯かる実情に鑑み、高圧下でも安定したシールが可能であり且つ高速開閉により高速なジェット噴射が可能な超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述した本発明の目的を達成するために、本発明による超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置は、超臨界流体導入部とジェット噴射出力部とを有する超臨界流体導入ハウジングと、超臨界流体導入ハウジングのジェット噴射出力部に配置されるオリフィスと、オリフィスを押圧することでジェット噴射出力部をシールするプランジャであって、超臨界流体導入ハウジングに一部分が挿入されるプランジャと、プランジャをオリフィス側に付勢する付勢手段と、外部入力信号に応じてプランジャをオリフィスと反対側に駆動させる駆動手段と、を具備するものである。
【００１４】
ここで、オリフィスは、ポリイミド製凸状基部と、該ポリイミド製凸状基部の凸部周囲に設けられる金属製リングと、からなるものであっても良い。
【００１５】
また、プランジャは、セラミックス製であれば良い。
【００１６】
また、付勢手段は、付勢基部と弾性体とからなるものであっても良い。
【００１７】
さらに、プランジャは、付勢手段に固定されていても良い。
【００１８】
また、駆動手段は、付勢手段をオリフィスと反対側に引っ張ることでプランジャを駆動させるものであっても良い。
【００１９】
また、駆動手段は、圧電素子アクチュエータからなるものであっても良い。
【００２０】
さらに、超臨界流体導入ハウジングと付勢手段との間に、断熱用フランジを具備していても良い。
【００２１】
さらにまた、駆動手段に入力される外部入力信号は、ジェット噴射される超臨界流体のレーザイオン化用パルスレーザの制御信号と同期するものであっても良い。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置には、高圧下でも安定したシールが可能であり且つ高速開閉により高速なジェット噴射が可能であるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための最良の形態を図示例と共に説明する。図１は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を説明するための長手方向断面図である。超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１は、超臨界流体導入ハウジング１０、オリフィス２０、プランジャ３０、付勢部４０、駆動部５０とから主に構成される。
【００２４】
超臨界流体導入ハウジング１０は、例えば略円筒形を有する筐体であり、超臨界流体が満たされる部分である。超臨界流体導入ハウジング１０は、超臨界流体導入部１１とジェット噴射出力部１２とを有する。超臨界流体導入部１１から超臨界流体が超臨界流体導入ハウジング１０内に導入され、また、パルスバルブ動作により超臨界流体がジェット噴射出力部１２から超臨界流体ジェットとして噴射される。
【００２５】
また、オリフィス２０は、ジェット噴射出力部１２、より具体的には超臨界流体導入ハウジング１０内のジェット噴射出力部１２を覆うように配置される。オリフィスは流路中に設けられる所謂絞りであり、ガスや流体を真空槽等に導入する場合や、実効排気速度を意図的に小さくする場合等に用いられるものである。本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１に用いられるオリフィス２０は、中央部に超臨界流体が通る極小孔が設けられた凸状基部から構成されており、合成樹脂、好ましくはポリイミド樹脂からなる。ポリイミド樹脂は、所謂エンジニアリングプラスチックであり、耐熱性や耐摩耗性に優れるものである。凸状基部全体をポリイミド樹脂で構成することにより、金属性凸状基部にフィルム状のポリイミド樹脂を配置した場合と比べて変形や剥がれ等に対して有利となる。また、変形防止や耐久性をより高めるために、本発明で用いられるオリフィス２０は、凸状基部の凸部周囲に、金属製リング２１が設けられている。金属製リング２１は、耐腐食性等を考慮すると、ステンレス製であることが好ましい。
【００２６】
プランジャ３０は、オリフィス２０を押圧することでジェット噴射出力部をシールするものである。より具体的には、プランジャ３０をオリフィス２０に押し付けることで、オリフィスの極小孔周囲とプランジャ先端との面接触により、オリフィス２０の極小孔をシールする。オリフィス２０の極小孔を塞ぐプランジャ３０の形状をなるべく小さくし、プランジャ３０を一気に引き上げることにより、瞬間的に圧力降下の無いガス流路が形成できる。プランジャ３０は先端部を細く加工し、さらに先端面に高い平滑性が要求されるため、セラミックス製であることが好ましい。より好ましくは、プランジャ３０にはジルコニアセラミックスが用いられる。ジルコニアセラミックスは、セラミックスの中でも最強の強度を持つ材料である。これは、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）に少量の酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）を含む金属酸化物であり、９００ＭＰａ−１３００ＭＰaの高圧に耐え得る材料である。また、研磨により平滑度の高い表面を容易に形成可能である。
【００２７】
このような材料で構成されるプランジャ３０の一部分を、超臨界流体導入ハウジング１０に挿入する。すなわち、図１に示されるように、プランジャ３０のオリフィス２０に押し付けられる部分である先端部側を超臨界流体導入ハウジング１０内に挿入する。そして、パッキン１３を介してプランジャ３０が超臨界流体導入ハウジング１０外部に露出するように各寸法が調整される。このように、プランジャの一部分を高圧下に配置し、一部分を低圧下、例えば大気圧下に配置することで、超臨界流体導入ハウジング１０内の圧力が高くなると、プランジャ３０に対して、低圧側、すなわちオリフィス２０と反対側に力が働くようになる。なお、パッキン１３については、従来から用いられているものを用いれば良い。
【００２８】
また、付勢部４０は、プランジャ３０をオリフィス２０側に押し付けるものである。付勢部４０は、付勢基部４１と弾性体４２とから主に構成される。すなわち、付勢基部４１がプランジャ３０と接続され、弾性体４２が付勢基部４１をオリフィス２０側に付勢することで、プランジャ３０をオリフィス２０に高圧で押し付けることが可能となる。弾性体４２としては、図示例では螺旋ばねが示されるが、本発明はこれに限定されず、板ばねやゴム等、高圧で付勢可能なものであれば如何なるものであっても構わない。さらに、弾性体として種々の機械的なアクチュエータ等を用いることも可能である。図示例の螺旋ばねである弾性体４２は、その一方端で付勢基部４１を押圧し、他方端がブラケット４３で止められている。また、付勢部４０の押圧力としては、例えば約３０ＭＰａ以上で付勢可能であれば、例えば２０ＭＰａ以上の高圧流体であってもシールすることが可能となる。なお、シール可能な圧力限界は、プランジャ３０をオリフィス２０に押し付ける付勢部４０の力に依存している。圧力限界以下では常にバルブは閉の状態であり、プランジャ３０を付勢部４０による付勢力よりも大きい力で引き上げることによりバルブが開の状態となる。
【００２９】
ここで、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置においては、プランジャ３０が高圧下の超臨界流体導入ハウジング１０内に一部分が挿入されており、一部分が大気圧下に露出しているため、超臨界流体導入ハウジング１０内の圧力が高くなると、プランジャ３０には超臨界流体導入ハウジング１０内から押し出されるような力が働き、したがってプランジャ３０にはオリフィス２０とは反対側の力が働く。このため、プランジャ３０とオリフィス２０との間のシール部分は、シール可能な圧力限界以下の状態において、超臨界流体導入ハウジング１０内の圧力が高ければ高いほどバルブを開の状態とするプランジャ３０の引き上げ力を小さくすることが可能となる。
【００３０】
さて、このように構成されたプランジャ３０をオリフィス２０と反対側に駆動することでバルブを開の状態とするための機構が駆動部５０である。駆動部５０は、例えば圧電素子方式のアクチュエータからなるものであり、外部入力信号に応じてプランジャ３０をオリフィス２０と反対側に駆動させるものである。ここで、プランジャ３０は、付勢基部４１に固定されていることが好ましい。勿論プランジャ３０が非固定状態であっても構わないが、バルブの高速開閉動作を行うためには、駆動部５０からの応答性を高めるためにプランジャ３０が付勢基部４１に固定されている。また、駆動部５０はプランジャ３０を直接引き上げる構造であっても構わないが、図示例のように付勢部４０を引っ張ることでプランジャ３０を駆動させるものであっても良い。なお、図示例では付勢基部４１とプランジャ３０は別体のものとして示しているが、本発明はこれに限定されず、一体的に構成されたものであっても構わない。
【００３１】
図示例において、付勢部４０の付勢基部４１から伸びる駆動用端部４５を駆動部５０の一方端により押圧する。駆動部５０の他方端は付勢部４０のハウジングや超臨界流体導入ハウジング１０等に固定され、これにより付勢基部４１に固定されるプランジャ３０をオリフィス２０と反対側に駆動することが可能となる。駆動部５０は、付勢部４０による付勢力から超臨界流体導入ハウジング１０内の圧力による押し出し力を引いた力よりも大きい力でプランジャ３０を駆動可能なものであれば良い。
【００３２】
なお、駆動部５０として図示例では圧電素子方式の圧電素子アクチュエータを示したが、本発明はこれに限定されず、高速開閉可能な瞬間的に大きな力を発生可能なものであれば、圧電素子方式に比べて発生する力は低いがソレノイド方式や磁歪素子方式等、種々の方式が使用可能である。圧電素子アクチュエータからなる駆動部５０は、電圧を印加すると伸長するが、ストローク距離は小さい（数百μｍ以下）。しかしながら、瞬間的に大きな力（数千Ｎ）を発生させることが可能なため、本発明の駆動部に用いられるのに適している。また、圧電素子アクチュエータは熱に弱いため、１００℃以上に加熱するバルブ先端部からは距離を置くことが好ましい。
【００３３】
次に、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、付勢部４０と駆動部５０の他の構造の例について、図２を用いて説明する。図２は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の他の例を説明するための長手方向断面図である。図中、図１と同一の符号を付した部分は同一物を表わしているため、詳説は省略する。図２に示されるように、この図示例では、付勢部４０の付勢基部４１から伸びる駆動用端部４７が、付勢基部４１を駆動部５０で駆動するときに均一に駆動部５０の力を付勢基部４１に伝えるため、付勢基部４１の中心線を中心に対象となるように構成されている。これにより付勢基部４１が撓んだりすることを防止し、より正確にバルブを開閉することが可能となると共に耐久性を向上することも可能となる。
【００３４】
さらに、熱に弱い圧電素子アクチュエータをより熱的に分離するための構造を以下に説明する。図３は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の他の例を説明するための長手方向断面図である。図中、図２と同一の符号を付した部分は同一物を表わしているため、詳説は省略する。図３に示されるように、この図示例では、超臨界流体導入ハウジング１０と付勢部４０との間に、断熱用フランジ６０を設けている。断熱用フランジ６０は、例えばセラミックス製のフランジであり、バルブ先端部である超臨界流体導入ハウジング１０が加熱されても駆動部５０側にその熱が伝わらないように配置されている。これにより、駆動部５０として熱に弱い圧電素子アクチュエータを用いたとしても、より熱の影響を受けにくくなる。
【００３５】
以下、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を実際に製作し、その試験を行った結果について説明する。以下、具体的に設計した寸法や材質等を示すが、これはあくまでも一例であって、本発明がこれらの数値や材質等に限定されるものではないことが理解されるべきである。超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１において、まず超臨界流体導入ハウジング１０等の金属部分はＳＵＳ３１６を用いた。また、ポリイミド樹脂からなるオリフィス２０のオリフィス径を０．５ｍｍ、ジルコニアセラミックス製のプランジャ３０の直径を３．１７ｍｍ、プランジャ３０の先端部の直径を１．２ｍｍとした。また、付勢部４０の弾性体４２である螺旋ばねによるプランジャ３０の付勢力を約２４０Ｎに調整し、シール可能な圧力限界を約３０ＭＰａに調整した。このとき、プランジャ３０の先端部は、約２１０ＭＰａの圧力でオリフィス２０に押し付けられている。そして、駆動部５０である圧電素子アクチュエータとしては、松下プレシジョン株式会社製のピエゾアクチュエータＰＺ２０−１２５を用いた。なお、圧電素子アクチュエータが発生する力は約３２００Ｎであり、プランジャ３０を押し付ける螺旋ばねの力に比べて十分大きいものである。
【００３６】
このように製作された本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を、以下に説明する環境下で検証した。図４は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の試験環境の模式図である。なお、同図は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を超臨界流体ジェット分析に適用する場合と同様の環境である。図示のように、炭酸ガスボンベ６０から５ＭＰａ−６ＭＰａ程度の炭酸ガスを液化炭酸送液ポンプ６１に供給し液化炭酸ガスを得た。なお、液化炭酸送液ポンプ６１には、日本分光株式会社製の超臨界ＣＯ２送液ポンプＳＣＦ−Ｇｅｔを用いた。そして、液化炭酸ガスをオーブン６２に供給し、６０℃に過熱することで超臨界ＣＯ２を得た。なお、オーブン６２には、日本分光株式会社製の超臨界抽出用オーブンＳＣＦ−ＬＲＯを用いた。この超臨界ＣＯ２を２つに分岐し、一方を自動圧力調整バルブ６３に接続し、超臨界ＣＯ２を所定の圧力となるように保持した。なお、自動圧力調整バルブ６３には、日本分光株式会社製の全自動バックプレッシャレギュレータＳＣＦ−Ｂｐｇを用いた。また、超臨界ＣＯ２の他方を本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１に接続し、所定の圧力の超臨界ＣＯ２を超臨界流体導入部１１から超臨界流体導入ハウジング１０内に導入した。なお、超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１は、真空チャンバ７０に挿入されている。そして、パルス発生器６５により幅及び電圧可変の矩形パルスを発生させた。なお、パルス発生器６５には、米国スタンフォードリサーチシステムズ社製のデジタル遅延パルス発生器ＤＧ５３５を用いた。そして、この矩形パルスを圧電素子駆動用電源６６に入力し、超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置１の駆動部５０である圧電素子アクチュエータの外部入力信号とした。圧電素子駆動用電源６６には、松下プレシジョン株式会社製の大電力高速ピエゾドライバＨＥＰＺ−０．１５Ｐ５Ａを用いた。圧電素子駆動用電源６６に入力するパルス発生器６５からの矩形パルスの幅と電圧を可変することにより、パルスバルブの開閉時間及びプランジャの移動距離を制御することが可能である。
【００３７】
このように構成された装置において、まずバルブが閉状態でガス漏れが無いことを確認した。超臨界流体導入ハウジング１０に供給する超臨界ＣＯ２の圧力を徐々に上昇させると、３０ＭＰａを越えた付近でバルブ先端からのガス漏れが確認され、設計通りの挙動を示した。
【００３８】
次に、バルブが閉状態（３０ＭＰａ以下）で、圧電素子駆動用電源６６にパルス発生器６５から２Ｖ，１００μｓの矩形パルスを５０ｍｓ間隔（２０Ｈｚ）で供給し、圧電素子アクチュエータを駆動させた。これにより、真空チャンバ７０内にパルス状にガスがジェット噴射された。また、パルス発生器６５からの矩形パルスの供給を止めると、パルスジェット噴射は直ちに止まり、このときバルブ先端からの漏れはまったく無かった。このように、パルスバルブ装置の正常動作が確認された。さらに、１００μｓ以下の矩形パルスを供給してもバルブは安定動作し、１００μｓ以下のパルスジェット噴射が確認された。
【００３９】
さらに、バルブ先端部を１００℃以上に加熱した際でも、圧電素子アクチュエータ部の温度上昇は無く、圧電素子アクチュエータは問題無く動作した。
【００４０】
このように、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置によれば、上述の背景技術の欄で挙げた条件（１）−（４）をいずれも満たすものであり、高圧下でも安定したシールが可能であり且つ高速開閉により高速なジェット噴射が可能な超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置が実現できる。これにより、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を用いた超臨界流体ジェット法では、固体試料や生体試料等の、不揮発性、熱分解性試料の質量分析が可能となるほか、有機分子の非加熱真空蒸着法等が実現可能となる。
【００４１】
さらに、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を用いた超臨界流体ジェット分析法においては、図４に示されるように、ジェット噴射される超臨界流体のレーザイオン化用パルスレーザ６８の制御信号として、パルス発生器６５のパルス信号を用いることができる。すなわち、駆動部５０に入力される外部入力信号とレーザイオン化用パルスレーザ６８に制御信号とを同期させることが可能となる。これにより、効率的且つ正確に質量分析を行うことが可能となる。
【００４２】
なお、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置は、超臨界流体導入ハウジング内に一部分が挿入されるプランジャをオリフィス側に付勢する付勢部と、バルブ駆動するためにオリフィスと反対側にプランジャを駆動させる駆動部とを有するものである。したがって、その具体的構造は上述の図示例にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
【００４３】
また、例えば、プランジャの材質については上述の図示例ではセラミックス製であること説明したが、セラミックス製に限定されず、金属製であっても構わない。また、オリフィスについても金属性であっても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置を説明するための長手方向断面図である。
【図２】図２は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の他の例を説明するための長手方向断面図である。
【図３】図３は、本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の他の例を説明するための長手方向断面図である。
【図４】図４は、製作された本発明の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置の試験環境の模式図である。
【符号の説明】
【００４５】
１ 超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置
１０ 超臨界流体導入ハウジング
１１ 超臨界流体導入部
１２ ジェット噴射出力部
１３ パッキン
２０ オリフィス
２１ 金属製リング
３０ プランジャ
４０ 付勢部
４１ 付勢基部
４２ 弾性体
４３ ブラケット
４５ 駆動用端部
４７ 駆動用端部
５０ 駆動部
６０ 断熱用フランジ
６０ 炭酸ガスボンベ
６１ 液化炭酸送液ポンプ
６２ オーブン
６３ 自動圧力調整バルブ
６５ パルス発生器
６６ 圧電素子駆動用電源
６８ レーザイオン化用パルスレーザ
７０ 真空チャンバ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置であって、該パルスバルブ装置は、
超臨界流体導入部とジェット噴射出力部とを有する超臨界流体導入ハウジングと、
前記超臨界流体導入ハウジングのジェット噴射出力部に配置されるオリフィスと、
前記オリフィスを押圧することでジェット噴射出力部をシールするプランジャであって、前記超臨界流体導入ハウジングに一部分が挿入されるプランジャと、
前記プランジャを前記オリフィス側に付勢する付勢手段と、
外部入力信号に応じて前記プランジャを前記オリフィスと反対側に駆動させる駆動手段と、
を具備することを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記オリフィスは、ポリイミド製凸状基部と、該ポリイミド製凸状基部の凸部周囲に設けられる金属製リングと、からなることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記プランジャは、セラミックス製であることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記付勢手段は、付勢基部と弾性体とからなることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記プランジャは、前記付勢手段に固定されることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項６】
請求項５に記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記駆動手段は、前記付勢手段を前記オリフィスと反対側に引っ張ることで前記プランジャを駆動させることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記駆動手段は、圧電素子アクチュエータからなることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置であって、さらに、前記超臨界流体導入ハウジングと付勢手段との間に、断熱用フランジを具備することを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れかに記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記駆動手段に入力される外部入力信号は、ジェット噴射される超臨界流体のレーザイオン化用パルスレーザの制御信号と同期することを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項１】
超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置であって、該パルスバルブ装置は、
超臨界流体導入部とジェット噴射出力部とを有する超臨界流体導入ハウジングと、
前記超臨界流体導入ハウジングのジェット噴射出力部に配置されるオリフィスと、
前記オリフィスを押圧することでジェット噴射出力部をシールするプランジャであって、前記超臨界流体導入ハウジングに一部分が挿入されるプランジャと、
前記プランジャを前記オリフィス側に付勢する付勢手段と、
外部入力信号に応じて前記プランジャを前記オリフィスと反対側に駆動させる駆動手段と、
を具備することを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項２】
請求項１に記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記オリフィスは、ポリイミド製凸状基部と、該ポリイミド製凸状基部の凸部周囲に設けられる金属製リングと、からなることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記プランジャは、セラミックス製であることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３の何れかに記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記付勢手段は、付勢基部と弾性体とからなることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４の何れかに記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記プランジャは、前記付勢手段に固定されることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項６】
請求項５に記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記駆動手段は、前記付勢手段を前記オリフィスと反対側に引っ張ることで前記プランジャを駆動させることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記駆動手段は、圧電素子アクチュエータからなることを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７の何れかに記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置であって、さらに、前記超臨界流体導入ハウジングと付勢手段との間に、断熱用フランジを具備することを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【請求項９】
請求項１乃至請求項８の何れかに記載の超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置において、前記駆動手段に入力される外部入力信号は、ジェット噴射される超臨界流体のレーザイオン化用パルスレーザの制御信号と同期することを特徴とする超臨界流体ジェット噴射用パルスバルブ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００９−３０６６９（Ｐ２００９−３０６６９Ａ）
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−１９３１５７（Ｐ２００７−１９３１５７）
【出願日】平成１９年７月２５日（２００７．７．２５）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年２月１２日（２００９．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年７月２５日（２００７．７．２５）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
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