JP2006126089A - 送液ポンプ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】大幅な構成の変更を伴うことなくポンプ室などに気泡が入り込んだ場合でも、迅速に流路から気泡を排出することが可能な送液ポンプ装置を実現する。
【解決手段】流路パージを開始すると装置制御部２８はモータ１、２の回転数を流路パージ用の高速設定に切り替え、送液圧力モニタ部２９が送液圧力をモニタする。モータ１、２は流路パージ用に高速駆動すると、ポンプ室内など流路内の圧力は急激に上昇する。送液圧力値が圧力上限値よりも大の場合、流路切り替えバルブ２０を廃液流路側に切り替える。流路が分析流路２１側から廃液流路２２側に切り替わり、送液圧力は短時間で低下する。圧力値が圧力下限値以下になったらバルブ２０を分析流路２１側に切り替える。流路切り替えで流路内の圧力は上昇する。以降、送液圧力値をモニタしながら流路内の圧力は急激な上昇と低下という変動を繰り返して流路パージが行われ気泡が廃液流路から排出される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、高速液体クロマトグラフィーやフローインジェクション分析装置等に使用される送液ポンプ装置する。

溶液中の複数成分を分離分析する手段として汎用される高速液体クロマトグラフ（ＨＰＬＣ）や、複数の試料液を混合加熱して検出部に送液するフローインジェクション装置において、溶離液を送液する送液ポンプが予め決められた流速で送液を行うことは、測定結果の信頼性において非常に重要な事項である。

送液ポンプ装置による送液が正しく行えない原因として度々発生するものとして、流路内への外部からの気泡の混入あるいは溶液に溶存していた気体による気泡の発生が挙げられる。

そのため、ＨＰＬＣ等では一般に、測定開始前の準備操作として高流速で送液ポンプ装置を一定時間動作させて、流路内に存在する気泡を廃液流路に排出する操作を行う。

また、測定中は流路内に設けられた圧力センサを用いて、送液圧力をモニタする事で正しく送液されているかどうかを判断している。

例えば、特許文献１に記載の技術においては、分析中の送液圧力をモニタし、設定範囲を超えた圧力変動が生じた場合にはドレインバルブにより流路を切り替える。そして、送液ポンプを高速駆動させて流路のパージを行い、圧力変動の原因となった気泡を排出している。

また、特許文献２に記載の技術においては、プランジャ往復動型送液ポンプの送液圧力をモニタして、送液圧力変動が一定基準値以上になった場合に、プランジャ動作を制御して低送液圧力で吐出する制御を行い、流路内に存在する気泡を排出しやすくする機構が示されている。

特開平１１−３２６３００号公報 特開２０００−１３０３５３号公報

ところで、流路内に入り込んだ気泡は、ポンプ室内では高圧条件にあり、その体積が小さくなるため、特許文献１記載の技術のように、送液ポンプを高速駆動させて、単に送液を行うだけでは流路から外に排出する事が困難である。具体的には、ポンプ室の内壁とプランジャの間や、ポンプ室の内壁とプランジャシールの間の隙間、配管の接続部に生じるギャップなどに残存する気泡は、通常送液するだけでは排出されにくい。

ここで、送液流量が大きい場合は、上述したポンプ室の内壁等に少量の気泡が残留していても、送液流量の変動に大きな影響を与えることはない。

しかし、送液流量が小さくなると、残存する気泡の量が少なくても、送液時の圧力変動、すなわち送液流量の変動に影響を与える。

近年、低流量で内径の小さなカラムを使用するミクロＨＰＬＣあるいはキャピラリーＨＰＬＣなどと呼ばれる分析法が、溶離液に使用する有機溶媒の消費量が少なくすむために環境への負荷が小さい事や、流路内での拡散が抑制されるため高感度分析が可能である事などから注目を集めている。

ミクロＨＰＬＣあるいはキャピラリーＨＰＬＣにおいては、例えば、数マイクロリットル/分という微量な送液流量の場合は、残存する気泡の量が少なくても流量変動により影響を与えることとなる。

そこで、送液ポンプにおけるポンプ室とプランジャ、プランジャシール間の隙間を小さくして、プランジャの吐出行程で入り込んだ気泡を排出しやすくする、あるいは配管の接続面の加工精度を上げて配管接続部のギャップを無くす、等の対策が考えられる。

しかし、ポンプ室の内壁とプランジャやプランジャシールの間の隙間を小さくすることや配管接続面の加工精度を上げるためには、各部品の寸法公差を現在以上に小さくしなければならず、製造コストが大幅に上昇するため、好ましいものではない。

また、特許文献２記載の技術のように、低送液圧力で吐出する事で流路内の隙間に滞留する気泡は高圧条件下で送液するよりは排出されやすくなるが、気泡が完全に排出されるには通常長時間の送液を必要とする。

また、流路のギャップに入り込んだ気泡は送液圧力を低くしただけではなかなか排出されない、などの問題が残る。

本発明の目的は、大幅な構成の変更を伴うことなく、ポンプ室や流路のギャップなどに気泡が入り込んだ場合であっても、迅速に流路から気泡を排出することが可能な送液ポンプ装置を実現することである。

上記目的を達成するため、本発明は、次のように構成される。
（１）プランジャと、このプランジャを往復運動させる手段と、上記プランジャの往復運動により送液される液体が流れる流路とを有する送液ポンプ装置において、送液圧力を検出する圧力センサと、上記圧力センサの下流位置に送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とを切り替える流路切り替えバルブと、上記圧力センサが検出した送液圧力に従って、上記流路切替バルブを、上記送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とを交互に切り替える制御部と、を備え、流路内の圧力を変動させることで流路内の残存気体を排出する。

（２）好ましくは、上記（１）において、上記プランジャの上流側及び下流側に配置される逆止弁を備える。

（３）液体中の複数成分を分離する液体クロマトグラフィ装置において、プランジャと、このプランジャを往復運動させる手段と、上記プランジャの往復運動により送液される液体が流れる流路と、送液圧力を検出する圧力センサと、上記圧力センサの下流位置に送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とを切り替える流路切り替えバルブと、上記圧力センサが検出した送液圧力に従って、上記流路切替バルブを、上記送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とに交互に切り替える制御部と、上記送液圧力の高い流路に接続され、溶液中の複数成分を分離する分離カラムと、上記分離カラムにより分離された成分を検出する検出部と、を備える。

（４）液体中の複数成分を分析するフローインジェクション分析装置において、プランジャと、このプランジャを往復運動させる手段と、上記プランジャの往復運動により送液される液体が流れる流路と、送液圧力を検出する圧力センサと、上記圧力センサの下流位置に送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とを切り替える流路切り替えバルブと、上記圧力センサが検出した送液圧力に従って、上記流路切替バルブを、上記送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とに交互に切り替える制御部と、上記送液圧力の高い流路に接続され、溶液を混合し、加熱する反応手段と、上記反応手段により反応された溶液を分析する分析部と、を備える。

本発明によれば、大幅な構成の変更を伴うことなく、ポンプ室や流路のギャップなどに気泡が入り込んだ場合であっても、迅速に流路から気泡を排出することが可能となる。

また、流路内に存在する気泡を迅速に排出する事が可能となるため、安定送液にかかる準備時間を短くする事ができる。

以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態の概略構成図であり、高速液体クロマトグラフィに使用される直列型ダブルプランジャ式送液ポンプ装置に適用した場合の例を示す図である。

図１において、溶液ボトル１３に満たされた液体１４は、流路１５、逆止弁１６を介して第１ポンプ室１１の中に送られる。液体は第１ポンプ室１１の内壁と第１プランジャ７で形成された領域に満たされる。第１プランジャ７と第１ポンプ室１１との隙間にはプランジャシール９が備えられており、隙間からの液体の漏れを防いでいる。

第１プランジャ７は、回転モータ１、ボールネジ３及び回転運動を直線運動に変換する直動機構部５により往復運動が行われ、第１プランジャ７の往復運動により第２ポンプ室１２側に送液される。

ここで、第１プランジャ７の液体入口側（溶液ボトル１３側）および液体出口側（第２ポンプ室１２側）の流路に、それぞれ逆流防止弁１６及び１７が備えられている。

第２ポンプ室１２に送られた液体は、第２ポンプ室１２の内壁と第２プランジャ８で形成され、プランジャシール１０により隙間からの液体の漏れが防がれた領域に送られる。

第２プランジャ８は、回転モータ２、ボールネジ４及び回転運動を直線運動に変換する直動機構部６により往復運動が行われ、液体は第２プランジャ８の往復運動により流路１８から圧力センサ１９及び流路切り替えバルブ２０を介して分析流路２１あるいは廃液流路２２へと送られる。

分析流路２１の下流側には、試料導入部２３、分離カラム２４、検出部２５及び廃液ボトル２６が備えられている。分離カラム２４は送液時の負荷抵抗が大きく、流路切り替えバルブ２０の流路が分析流路に切り替わっている場合は送液圧力は通常数ＭＰａ程度の大きさになる。

一方、廃液流路２２には分離カラム２４のような負荷抵抗となるものが備えられていないため、送液圧力は、通常０．１ＭＰａ程度と低くなる。

流路切り替えバルブ２０、モータ１及び２は、その動作をコントローラ部２７内の装置制御部２８により制御される。また、圧力センサ１９により読み取られる送液圧力は、コントローラ部２７内の送液圧力モニタ部２９に送られる。

送液圧力モニタ部２９には、パージ動作時の圧力上限値及び圧力下限値が予め記憶されており、圧力上限値及び圧力下限値を超えた圧力値がモニタされた場合には、装置制御部２８を介して流路切り替えバルブ２０を制御することができる。

測定開始前の準備操作時あるいは送液圧力の変動により流路内に気泡が発生した場合は、流路切り替えバルブ２０を切り替えながら流路内のパージを行う。

図２は、流路パージの動作フローチャート、図３は、流路パージ時の送液圧力をモニタした結果を示す図である。

図２において、流路パージを開始すると、装置制御部２８は、予め設定された圧力上限値及び圧力下限値、流路切り替えバルブ２０の流路位置が分析流路２１側にあることを確認する（ステップ１００、１０１）。そして、装置制御部２８は、モータ１、２の回転数を流路パージ用の高速設定に切り替える（ステップ１０２）。

このときの圧力上限値は、分離カラム等への影響を考慮して１５ ＭＰａ程度であることが望ましい。また、圧力下限値は流路切り替えバルブ２０を廃液流路２２に切り替えたときの送液圧力を下回らない必要があるが、通常、廃液流路２２には圧力負荷はほとんど存在しないので、０．１ ＭＰａ程度の設定が望ましい。

ここで、送液圧力値Ｐｉを流路パージ操作中、送液圧力モニタ部２９が、逐次モニタする（ステップ１０３）。送液圧力値Ｐｉが圧力上限値Ｐｍａｘを超えているか否かを判断し、圧力上限以下の場合、ステップ１０３に戻る（ステップ１０４）。

モータ１、２は流路パージ用に通常送液よりも高速で駆動するため、ポンプ室内など流路内の圧力は時間と共に急激に上昇する。送液圧力値Ｐｉが圧力上限値Ｐｍａｘよりも大きい場合、流路切り替えバルブ２０を廃液流路側に切り替える（ステップ１０４、１０５）。流路が分析流路２１側から廃液流路２２側に切り替わることにより、ポンプ室内の送液圧力は短時間のうちに低下する。

この間も送液圧力値Ｐｉはモニタされており（ステップ１０６）、圧力値Ｐｉが圧力下限値Ｐｍｉｎと同じかそれ以下になった場合、流路切り替えバルブ２０を分析流路２１側に切り替える（ステップ１０７、１０８）。ステップ１０３に戻る。

流路切り替えにより、パージ操作開始時と同様に流路内の圧力は時間ととともに上昇していく。以降、送液圧力値をモニタしながらポンプ室を含む流路内の圧力は、図３に示すように、急激な上昇と低下という変動を繰り返しながら流路パージが行われる。

なお、送液圧力の上昇・低下のサイクルは、圧力上限値及び圧力下限値の設定にもよるが１サイクルあたり通常３から５秒の時間で行われる。流路内の液体の圧力変動により、ポンプ室内や流路接続部等のギャップに入り込んだ気泡は容易にギャップから排出され、最終的に気泡は廃液流路から排出される。

流路パージを終了させるには、流路パージを行う時間を設定可能にしておくことで、例えばパージ時間を１分に設定しておけば、パージ開始後１分後に自動で流路パージを終了して通常送液に移ることができる。

または、圧力の上昇・低下のサイクル数を設定可能にしておくことで、例えばサイクル数を２０と設定すると、パージ開始後の送液圧力の上昇・低下サイクルが２０回実施されたところで流路パージを終了して通常送液に移る事も可能である。

以上のように、本発明の一実施形態によれば、流路を分析流路と廃液流路とに切り替えて、送液圧力を、ほぼ周期的に高低に切り替えるように制御しているので、ポンプ室内や流路接続部等に残留した気泡を排出することができる。

この場合、廃液流路と分析流路との切替バルブや、流路の圧力センサは、通常の送液ポンプ装置に備えられているので、装置の大幅な変更を必要としない。

なお、上述した例は、本発明を、高速液体クロマトグラフィに使用される直列型ダブルプランジャ式送液ポンプ装置に適用した場合の例であるが、これに限らず、フローインジェクション分析装置用の送液ポンプ装置にも適用可能である。

フローインジェクション分析装置用の送液ポンプ装置に適用する場合は、図１の分離カラムが、加熱手段により加熱可能な、試料反応手段に置き換え、検出部を分析部に置き換える。

本発明の一実施形態による送液ポンプ装置の概略構成図である。 本発明の一実施形態におけるパージ操作時における動作フローチャートである。 本発明の一実施形態におけるパージ操形時の送液圧力変動を示すグラフである。

符号の説明

１、２ モータ
３、４ ボールネジ
５、６ 直動機構部
７ 第１プランジャ
８ 第２プランジャ
９、１０ プランジャシール
１１ 第１ポンプ室
１２ 第２ポンプ室
１３ 溶液ボトル
１４ 液体
１５、１８ 流路
１６、１７ 逆流防止弁
１９ 圧力センサ
２０ 流路切り替えバルブ
２１ 分析流路
２２ 廃液流路
２３ 試料導入部
２４ 分離カラム
２５ 検出部
２６ 廃液ボトル
２７ コントローラ部
２８ 装置制御部
２９ 送液圧力モニタ部

Claims (4)

1. プランジャと、このプランジャを往復運動させる手段と、上記プランジャの往復運動により送液される液体が流れる流路とを有する送液ポンプ装置において、
   送液圧力を検出する圧力センサと、
   上記圧力センサの下流位置に送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とを切り替える流路切り替えバルブと、
   上記圧力センサが検出した送液圧力に従って、上記流路切替バルブを、上記送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とを交互に切り替える制御部と、
   を備え、流路内の圧力を変動させることで流路内の残存気体を排出することを特徴とする送液ポンプ装置。
2. 請求項１記載の送液ポンプ装置において、上記プランジャの上流側及び下流側に配置される逆止弁を備えることを特徴とする送液ポンプ装置。
3. 液体中の複数成分を分離する液体クロマトグラフィ装置において、
   プランジャと、
   このプランジャを往復運動させる手段と、
   上記プランジャの往復運動により送液される液体が流れる流路と、
   送液圧力を検出する圧力センサと、
   上記圧力センサの下流位置に送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とを切り替える流路切り替えバルブと、
   上記圧力センサが検出した送液圧力に従って、上記流路切替バルブを、上記送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とに交互に切り替える制御部と、
   上記送液圧力の高い流路に接続され、溶液中の複数成分を分離する分離カラムと、
   上記分離カラムにより分離された成分を検出する検出部と、
   を備えることを特徴とする液体クロマトグラフィ装置。
4. 液体中の複数成分を分析するフローインジェクション分析装置において、
   プランジャと、
   このプランジャを往復運動させる手段と、
   上記プランジャの往復運動により送液される液体が流れる流路と、
   送液圧力を検出する圧力センサと、
   上記圧力センサの下流位置に送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とを切り替える流路切り替えバルブと、
   上記圧力センサが検出した送液圧力に従って、上記流路切替バルブを、上記送液圧力の高い流路と送液圧力の低い流路とに交互に切り替える制御部と、
   上記送液圧力の高い流路に接続され、溶液を混合し、加熱する反応手段と、
   上記反応手段により反応された溶液を分析する分析部と、
   を備えることを特徴とするフローインジェクション分析装置。

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