JP2006125367A

JP2006125367A - 送液装置

Info

Publication number: JP2006125367A
Application number: JP2004317987A
Authority: JP
Inventors: Naoe Kitagawa; 尚衛北川
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2004-11-01
Publication date: 2006-05-18
Anticipated expiration: 2024-11-01
Also published as: JP4626270B2

Abstract

【課題】
高圧下でも低圧下でも理想的な脈流補正をすることができるようにする。
【解決手段】
カム形状が、いずれのプランジャの吐出開始区間においても駆動用モータの等速回転時の送液量が他の区間の送液量より過剰になる形状に設定されている。過剰送液区間での送液過剰分が液体の圧縮容量より大きくなり、等速回転時の送液量に過剰分が現れる低圧下での送液時には、その過剰分に応じて駆動用モータの回転数を等速回転時よりも減速させる。また、過剰送液区間での送液過剰分が液体の圧縮容量より小さくなり、等速回転時の送液量に欠損分が現れる高圧下での送液時には、その欠損分に応じて駆動用モータの回転数を等速回転時よりも加速させる。
【選択図】図１

Description

本発明は複数のプランジャが往復運動して送液を行うプランジャ往復動型送液装置、例えば比較的小型の送液装置、いわゆる小プランジャ往復動型送液装置に関するものである。

プランジャ往復動型送液装置は、駆動用モータ、複数、例えば２個のポンプヘッドをそれぞれ駆動するプランジャ、及び駆動用モータの回転運動をプランジャの往復運動に変換する変換機構を備えている。

図２に２個のポンプヘッドを備えた理想的な送液装置における、カムの回転角度θに対するプランジャ速度特性を示す。
１は第１のポンプヘッドのプランジャ速度特性である。駆動用モータの回転をプランジャの往復運動に変換する変換機構としてカムが使用されているが、ｒはそのカムの回転中心からの距離であり、縦軸のｄｒ／ｄθは駆動用モータが等速回転しているときのプランジャ速度である。横軸より上側は吐出側、下側は吸引側である。

カムの形状はｄｒ／ｄθが台形状になるように形成されている。
送液される液体の吐出流量が吐出側プランジャ速度に比例する理想的な液体の場合には、２台のポンプヘッドの吐出流量の和である送液量は、駆動用モータを等速で回転させたときに図２に記号３で示されるようにカムの全角度を通じて一定になる。

しかしながら、実際には台形状の送液を行う始めの部分（吐出開始区間）では、液体の圧縮性や逆止弁の応答遅れなどによって高圧力になると送液できなくなり、図３に示されるように吐出流量及び圧力に欠損部分４，５が生じる。これが周期的に生ずる脈流となり、送液精度を悪化させる。
この脈流を小さくするために、圧力が吐出開始区間では駆動用モータの回転速度を通常時より早く回転させることが行われている。

図４（Ａ）は高い圧力で送液する場合の脈流の補正であり、（Ｂ）は低い圧力で送液する場合の脈流の補正である。ａはカムの回転速度を一定にした場合の脈流、ｂは脈流を補正するためのカムの回転速度、ｃは補正された脈流である。
高い圧力での送液ほど圧力の欠損が大きいので、高い圧力になるほど駆動用モータの回転速度を上げる必要がある。そのため、圧力が高くなるほど駆動用モータの負荷が大きくなり、出力の大きい駆動用モータが必要となる。

そこで、その問題を解決するための方法として、駆動用モータを等速回転させた場合において、プランジャの吐出開始区間での送液量が他の区間の送液量より過剰になるように、図５のようなカム形状にする方法が行われている（特許文献１参照。）。

図６は図５のカム形状を使用した場合の従来の脈流補正を示したものであり、（Ａ）はほとんど圧力がない状態で送液される場合の脈流補正を示している。駆動用モータを等速で回転させれば、ａで示されるように吐出開始区間では送液量に過剰分Ａが発生する。そこでｂに示されるようにカムの回転速度がその吐出開始区間で減速されるように駆動用モータを減速すると、ｃに示されるように送液量が一定となる。

（Ｂ）は低い圧力で送液される場合の脈流補正を示している。駆動用モータを等速で回転させると、ａに示されるように、過剰送液するようにカムを修正した区間で時間的に後の部分に送液量過剰分Ａ'が現れる。そこでその区間を補正するために、ｂに示されるようにモータの回転速度を減速すると、ｃのように送液量が一定となる。

（Ｃ）は高い圧力で送液される場合の脈流補正を示している。この場合は高い圧力による送液量の欠損分とカムの修正による送液量過剰分とが相殺されて、駆動用モータが等速回転したときの送液量ａが一定となり、駆動用モータの回転速度ｂを補正する必要がない。
特許第２７４５５２６号公報

プランジャの吐出開始区間での送液量が他の区間の送液量より過剰になるようなカム形状にし、駆動用モータの回転速度を遅くして補正する方法は、駆動用モータの負荷が大きくなることがなく、その結果、出力の大きい駆動用モータを必要としない利点がある。

本発明は、プランジャの吐出開始区間での送液量が他の区間の送液量より過剰になるようなカム形状にした送液装置の改良に関し、カム形状による送液過剰分を理想曲線から大きく外すことなく、さらに駆動用モータに負荷をかけずに、高圧下でも低圧下でも理想的な脈流補正をすることのできる送液装置を擾供することを目的とする。

本発明は、駆動用モータ、複数のポンプヘッドをそれぞれ駆動するプランジャ、及び駆動用モータの回転運動をプランジャの往復運動に変換する変換機構を備えた送液装置であり、変換機構のカム形状が、いずれのプランジャの吐出開始区間においても駆動用モータの等速回転時の送液量が他の区間の送液量より過剰になる形状に設定されており、過剰送液区間での送液過剰分が液体の圧縮容量より大きくなり、等速回転時の送液量に過剰分が現れる低圧下での送液時には、その過剰分に応じて駆動用モータの回転数を等速回転時よりも減速させ、過剰送液区間での送液過剰分が液体の圧縮容量より小さくなり、等速回転時の送液量に欠損分が現れる高圧下での送液時には、その欠損分に応じて駆動用モータの回転数を等速回転時よりも加速させるようにした送液装置である。

また、過剰送液区間での送液過剰分が液体の圧縮容量と近くなり、等速回転時の送液量に不足分と過剰分の両方が現れる圧力下での送液時には、その不足分に応じて駆動用モータの回転数を等速回転時よりも加速させたあと、その後の過剰分に応じて駆動用モータの回転数を等速回転時よりも減速させるようにしてもよい。

（作用）
液体には圧縮性があり、プランジャの吐出開始区間は液体が送液圧力まで圧縮されるまで送液されないので、送液量の欠損がおこる。その欠損分をカム形状に基づく過剰分で補うようにする。

圧力が低い状態で送液する場合は、駆動用モータを等速で回転させるとカム形状による送液過剰分がそのまま現れて過剰送液となるので、その過剰送液区間ではカムの回転速度を減速して送液量が一定になるようにする。
送液欠損分をカム形状による過剰分では補えないほどの高い圧力で送液する場合、その欠損分が現れる区間ではカムの回転速度を加速して送液量が一定になるようにする。
圧力による送液欠損分とカム形状による過剰分とが近い場合、駆動用モータを等速回転させても大きな脈流は発生しないが、カム形状に合わせて駆動用モータの回転速度を加速させたあとに減速させることにより、より厳密に脈流を除去できるようになる。

本発明では、プランジャを往復動させるカム形状を、吐出開始区間において駆動用モータの等速回転時の送液量が、他の区間の送液量より過剰になるようにした上で、低い圧力では減速運転し、高い圧力では加速運転と、加速側と減速側の両方を使用することで、カム形状を理想曲線から大きく外すことなく、低出力モータを用いて、高圧下でも低圧下でも理想的な脈流補正をすることができるようになる。

図７に本発明が適用される一例の小プランジャ往復動型送液ポンプを示す。
１０は駆動用ステツビングモータ、１１はカム軸である。カム軸１１には小プーリ１２、ベルト１３及びカム軸１１の大プーリ１４を介してステッピングモータ１０の回転が伝達される。

カム軸１１には２個のポンプヘッドを駆動するために２個のカム１５，１６が固定されている。カム軸１１にはまた、円板１７が取り付けられ、円板１７には孔１８があけられ、フォトカプラ１９によって孔１８を検出することによりカム１５，１６の回転角度のホームポジションが検出される。

カム１５にはクロスヘッド２０の基端部が接触しており、カム１５の回転によりクロスヘッド２０が往復運動する。クロスヘッド２０の他端には第１のポンプヘッド２４のプランジャ２１が取りつけられている。他方のカム１６にもクロスヘッド２２の基端部が接触しており、カム１６の回転によりクロスヘッド２２が往復運動する。クロスヘッド２２には第２のポンプヘッド２５のプランジャ２３が取りつけられている。
カム１５，１６は後で記述され、また図５に示されるような角度−プランジャ速度特性を示す形状に設計されている。

第１のポンプヘッド２４ではプランジャ２１の往復運動によって液２６をサクションフィルタ２９、入口ブロック２７を経て圧力センサ２８の流路へ送液する。第２のポンプヘッド２５でもプランジャ２３の往復運動によって液２６をサクションフィルタ２９、入口ブロック２７を経て圧力センサ２８の流路へ送液する。ポンプヘッド２４，２５において、ａは入口逆止弁、ｂは出口逆止弁、ｃはシール部材である。

圧力センサ２８の流路で第１のポンプヘッド２４から送り出された液と第２のポンプヘッド２５から送りだされた液が合流し、ポンプ出口３０につながる流路に送り出される。３１はドレイン洗浄、３２は廃液ビンである。
３３はＣＰＵである。ＣＰＵ３３には圧力センサ２８の圧力信号とフォトカプラ１９からのホームポジション検出信号が送られ、ＣＰＵ３３はステッピングモータ１０の回転速度を制御する。

カム１５，１６の形状は、カム回転角θに対するｄｒ／ｄθ（等速回転時のプランジャ速度）特性が図５に示されるものになるように決定する。図５で１ａは第１のポンプヘッドに関するもの、２ａは第２のポンプヘッドに関するものである。

以下に、図５のｄｒ／ｄθ特性のカム形状を示す。
0<閘≦10 … r=15.5+0.075閘²/294.14062
10<閘≦25 … r=15.5+(1.5鐔och-7.5)/294.14062
25<閘≦70 … r=15.5+(7閘²/180-4鐔och/9+605/36)/294.14062
70<閘≦205 … r=15.5+(5鐔och-173.75)/294.14062
205<閘≦220 … r=15.5+(-8閘²/90+373鐔och/9-140735/36)/294.14062
220<閘≦250 … r=15.5+(-7閘²/180+175鐔och/9-53615/36)/294.14062
250<閘≦300 … r=15.5+(-0.1255閘²+62.75鐔och-6902.5)/294.14062
300<閘≦340 … r=15.5+(-12.55鐔och+4392.5)/294.14062
340<閘≦360 … r=15.5+(0.31375閘²-225.9鐔och+4066.2)/294.14062

図５に示されるように、一方のプランジャが吐出を開始する区間では、駆動用モータを等速回転させるとすれば両プランジャの速度の和が他の区間よりも大きくなり、もし液体が吐出側プランジャ速度に正確に追従するとすれば、送液量３ａは吐出開始区間で記号Ａで示されるように過剰になる。しかし、液体には圧縮係数ｋが存在し、体積Ｖの液体の圧力をＰ上昇させるために必要な体積変化率Ｖｐは、
Ｖｐ＝ｋ・Ｐ・Ｖ（１）式
で表される。圧縮係数ｋの代表的な数値として、水でｋ＝０.４５〔ＧＰａ^-1〕、メタノールでｋ＝１.２５〔ＧＰａ^-1〕があげられる。

図１は本実施例におけるそれぞれの送液圧力においての、回転角度と駆動用モータの回転速度関係を表したものである。角度Ａから吐出が始まり、それぞれのポンプヘッドで液体の圧縮が起こり、送液量の欠損が発生する。角度Ｃ，Ｄは変曲点である。

（１）は送液圧力がそれほど高くなく、角度Ｂまでの部分が欠損する場合でのモータ速度の補正方法である。角度Ｂまでは等速でモータを回転させ、液体の圧縮が完了する角度Ｂを過ぎると両方のプランジャから送液されるため、過剰分に合わせて減速させ、角度Ｄ以降は等速回転にもどる。

（２）は送液圧力が（１）より高くなり、液体の圧縮に必要な回転量が角度Ｃ以上を必要とする場合である。この場合、角度Ｃまでは等速でモータを回転させたあと、欠損分を補うためにモータ速度を加速させる。圧縮完了後は、両方のプランジャから送液されるため、過剰分に合わせて減速させ、角度Ｄ以降は等速回転にもどる。

（３）はさらに送液圧力が高くなり、液体の圧縮に必要な回転量が角度Ｄ以上を必要とする場合である。この場合、角度Ｃまでは等速でモータを回転させたあと、欠損分を補うためにモータ速度を加速させる。本実施例の設計では、角度Ｄでのモータ回転速度は、等速時の２倍の回転速度になっている。角度Ｄ以降は、厳密に補正をかける場合はさらに加速させる。ただし、区間角度も小さく、特に流速が早い場合は時間的にもごく短時間であるため、２倍速のまま続けても欠損量の送液への影響はほとんどみられない。圧縮完了後は両方のプランジャから送液され、すでにカム形状による過剰分もない角度なので等速回転にもどる。

送液圧力と圧縮完了角度の関係は、ポンプヘッドの容積をもとに（１）式より導かれる圧縮体積から推測でき、そこへ機械的な要因分（逆止弁の応答遅れや、気密性、高圧による機械的ひずみなど）を実験的に補正することで求めることができる。送液する液体によって圧縮係数が異なるが、あらかじめ設定された条件を用いて補正を行うか、圧力をモニタしながらフィードバック制御で自動的に求めるようにしてもよい。

本実施例では、ポンプヘッドを並列に接続した、並列接続プランジャ型送液装置であり、駆動用モータの加減速パターンが、モータ１回転につき２回発生する。他の実施例として直列接続プランジャ型送液装置でも実施可能であり、直列接続型の特徴として第２ポンプヘッドは常に送液圧力がかかり、送液液体の圧縮工程は第１ポンプヘッドのみとなるため、駆動用モータの加減速パターンが、モータ１回転につき１回で済む。

本発明の送液装置は、例えば一定流量で移動相を送液する液体クロマトグラフなど、一定流量での送液を必要とする分析装置に利用することができる。

図５に示すカムを使用した、実施例の送液装置における異なる圧力下での脈流補正を示す図である。理想的な送液装置のプランジャ速度特性と等速回転時の送液量の関係を示す図である。実際の送液装置における吐出流量と圧力の関係を示す図である。図２に示すカムを使用した従来の送液装置において、異なる圧力下での脈流補正を示す図である。一実施例においてカム形状に過剰分を持たせた送液装置のプランジャ速度特性と等速回転時の送液量の関係を示す図である。図５に示すカムを使用した従来の送液装置における異なる圧力下での脈流補正を示す図である。一実施例の機構部分の構成図である。

符号の説明

１０ステッピングモータ
１５，１６カム
２１，２３プランジャ
２４，２５ポンプヘッド
３３ＣＰＵ

Claims

駆動用モータ、複数のポンプヘッドをそれぞれ駆動するプランジャ、及び前記駆動用モータの回転運動を前記プランジャの往復運動に変換する変換機構を備えた送液装置において、
前記変換機構のカム形状が、いずれのプランジャの吐出開始区間においても駆動用モータの等速回転時の送液量が他の区間の送液量より過剰になる形状に設定され、
前記過剰送液区間での送液過剰分が液体の圧縮容量より大きくなり、等速回転時の送液量に過剰分が現れる低圧下での送液時には、その過剰分に応じて駆動用モータの回転数を等速回転時よりも減速させ、
前記過剰送液区間での送液過剰分が液体の圧縮容量より小さくなり、等速回転時の送液量に欠損分が現れる高圧下での送液時には、その欠損分に応じて駆動用モータの回転数を等速回転時よりも加速させることを特徴とする送液装置。
前記過剰送液区間での送液過剰分が液体の圧縮容量と近くなり、等速回転時の送液量に不足分と過剰分の両方が現れる圧力下での送液時には、その不足分に応じて駆動用モータの回転数を等速回転時よりも加速させたあと、その後の過剰分に応じて駆動用モータの回転数を等速回転時よりも減速させる請求項１に記載の送液装置。