JP2007292011A - 送液ポンプ及びその送液ポンプを用いた液体クロマトグラフ - Google Patents

Abstract

【課題】プランジャの往復運動を安定して行なわせ、ポンプ室入口に設けられたプランジャ用シール材の長寿命化を図る。
【解決手段】クロスヘッド２内部にプランジャ４の基端部をクロスヘッド２の中央部で保持するためのリング状の保持部材５を備えたプランジャ保持部３が設けられている。プランジャ４の基端側に球体からなるプランジャホルダー６が着脱可能に取り付けられている。プランジャホルダー６はクロスヘッド２のプランジャ保持部３内部の保持部材５と係合するとともにプランジャ保持部３内部の壁面に接しながらプランジャ保持部３内部に回転可能に保持されている。プランジャホルダー６は、クロスヘッド２の揺れ動きの中心位置とほぼ一致するように、すべり軸受２４，２６の中間部に配置されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば液体クロマトグラフなどに用いる送液ポンプに関し、特にプランジャの先端部分をポンプ室内で往復運動させて送液を行なうプランジャポンプに関するものである。

従来のプランジャポンプを説明する。図４は従来のプランジャポンプを示す断面図であり、（Ｂ）,（Ｃ）はプランジャ部分の挙動を示す図である。

ポンプボディ１０は、液をポンプ室１６内に吸入するための吸入流路１２と、吸入した液を送液するための送液流路１４を備えている。１２ａ及び１４ａは吸入流路１２と送液流路１４に設けられた逆止弁である。ポンプ室１６にはシール材１８を通してプランジャ３４の先端部分が挿入されている。プランジャ３４は、ポンプボディ１０内に離間して配置されたすべり軸受２４,２６に保持されたクロスヘッド３２に従動するようにクロスヘッド３２の先端側に回動可能に取り付けられている。クロスヘッド３２はポンプボディ１０に固着されたバネ２２の弾性力によって常時基端側に押されており、クロスヘッド３２の基端側にカム２０の周面上を摺動するカムフォロワ３８が設けられている。これにより、クロスヘッド３２とプランジャ３４はカム２０が回転することで左右方向に往復運動する。

プランジャ３４の基端側にプランジャホルダー３６が固着されている。プランジャホルダー３６はクロスヘッド３２の先端側に空洞部分として設けられたプランジャ保持部３３の内部のリング状の保持部材３５と係合し、プランジャ保持部３３の内部に保持されている。プランジャホルダー３６の保持部材３５と接する面は球面状であり、保持部材３５のプランジャホルダー３６と接する面はプランジャホルダー３６の球面に対応する凹形状である。さらに、プランジャ３４の基端部端面は球面状であり、その端面がクロスヘッド３２の空洞部分内部の壁面に当接してその壁面に対して摺動することができるようになっている。これにより、プランジャ３４はクロスヘッド３２に対してプランジャホルダー３６を中心とする回転方向にある程度の自由度をもっている。

クロスヘッド３２は離間して配置されたすべり軸受２４,２６に保持された状態で往復運動するため、クロスヘッド３２とすべり軸受２４,２６との間の摩擦によって磨耗粉が出る。この磨耗粉がクロスヘッド３２とすべり軸受２４,２６との間に溜まるとクロスヘッド３２の摺動の妨げになるため、磨耗粉の排出を目的としてクロスヘッド３２とすべり軸受２４,２６の間に隙間が設けられている。

クロスヘッド３２とすべり軸受２４,２６との間に隙間が設けられていることで、クロスヘッド３２が左右方向に往復運動する際、カム２０の圧力角の影響（クロスヘッド３２は前進時にはカム２０によって上方向に押し出される力が働き、後退時にはバネ２２によって下方向に押される力が働くこと）によって、例えば図４（Ｂ）,（Ｃ）に示されるように上下方向に揺れ動き、プランジャ保持部３３の位置が上下に変動する。すなわち、プランジャホルダー３６の位置が上下に変動し、これに起因してプランジャ３４が傾斜する。その結果、プランジャ３４とシール材１８の接触状態が変動し、シール材１８の磨耗が促進されて寿命が低下する。

プランジャ３４にクロスヘッド３２に対する回転方向の自由度を与えて、クロスヘッド３２が揺れ動いても往復運動させることができるようにすることは他にも提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
特開平０９−３１８６１１号公報

プランジャホルダー３６に回転方向の自由度を与えただけでは、プランジャ保持部３３の位置が上下に変動することによって生じるプランジャ３４の傾斜をなくすことはできない。プランジャ保持部３３の変動の影響を小さくするためには、プランジャホルダー３６をプランジャ保持部３３に対して上下方向への平行移動の自由度をもたせることが考えられる。しかし、平行移動の自由度を与えるためには面と面のすべりを利用する必要があり、このことはプランジャホルダー３６及びプランジャ３４のクロスヘッド３２に対する追従性が悪くなることにつながり、結果的にシール寿命にばらつきが生じるという問題が生じる。

そこで本発明は、クロスヘッドに対するプランジャの追従性を低下させることなくプランジャの往復運動を安定して行なわせ、ポンプ室入口に設けられたプランジャ用シール材の長寿命化を図ることを目的としている。

本発明の送液ポンプは、ポンプボディ内部に摺動可能に保持され、カムの回転に追従して往復運動するクロスヘッドと、基端側にプランジャホルダーを備え、クロスヘッド内部に設けられたプランジャ保持部にそのプランジャホルダーが回転可能に保持されてクロスヘッドに従動するプランジャと、プランジャの先端部分がシール部材を通して挿入されたポンプ室と、を備えた送液ポンプであって、プランジャホルダーはクロスヘッドの往復運動における揺れ動きの中心位置に配置されていることを特徴とするものである。
クロスヘッドの往復運動方向におけるクロスヘッドの中央部分にプランジャ保持部を設けることで、クロスヘッドの揺れ動きの中心部分、すなわちクロスヘッドの揺れ動きに起因した位置の変動の小さい位置にプランジャの挙動の中心であるプランジャホルダーを保持することができる。

ポンプボディ内部に２つのすべり軸受が離間して配置され、クロスヘッドは常時２つのすべり軸受の間にプランジャ保持部が位置するようにすべり軸受に保持されており、プランジャホルダーの配置位置は上記２つのすべり軸受の中間位置となっているのが好ましい。

プランジャホルダーの好ましい形態の一例は、プランジャの基端部に着脱可能に取り付けられた球体である。

本発明の液体クロマトグラフは、分析流路に移動相を供給する移動相供給部と、分析流路中に試料を注入するための試料注入部と、試料注入部に注入された試料の分離を行なう分離カラムと、分離カラムで分離された試料を検出する検出部と、を備えた液体クロマトグラフであって、移動相供給部は本発明の送液ポンプを備えていることを特徴とする。

本発明の送液ポンプは、クロスヘッドの往復運動における揺れ動きの中心位置にプランジャ保持部が設けられているので、プランジャホルダーがクロスヘッドの揺れ動きの中心位置で保持され、クロスヘッドの揺れ動きの中心とプランジャの挙動の中心が一致する。これにより、プランジャの挙動の中心は安定した往復運動を行なうようになるので、プランジャの往復運動が安定して行なわれ、ポンプ室入口のシール材とプランジャとの接触状態が安定し、シール材の極度な磨耗がなくなってシール材の寿命を安定させることができる。

ポンプボディ内部にクロスヘッドを保持する２つのすべり軸受が離間して配置されている場合、クロスヘッドが常時２つのすべり軸受の間にプランジャ保持部が位置するようにすべり軸受に保持され、プランジャホルダーの配置位置は上記２つのすべり軸受の中間位置となっていれば、クロスヘッドの揺れ動きの中心部分でプランジャホルダーを保持することができるので、プランジャの挙動が安定する。

図１は本発明の送液ポンプの一実施例を示す断面図であり、（Ｂ）,（Ｃ）はプランジャ部分の挙動を示す断面図である。
ポンプボディ１０は、液をポンプ室１６内に吸入するための吸入流路１２と、吸入した液を送液するための送液流路１４を備えている。１２ａ及び１４ａは吸入流路１２と送液流路１４に設けられた逆止弁である。ポンプ室１６入口にシール材１８が設けられており、シール材１８を通してプランジャ４の先端部分が挿入されている。

２はカム２０の回転によって往復運動するクロスヘッドである。クロスヘッド２は基端部にカム２０の周面に追従するカムフォロワ８を備えている。クロスヘッド２はポンプボディ１０内に離間して配置されたすべり軸受２４,２６に保持されている。クロスヘッド２はポンプボディ１０に固着されたバネ２２の弾性力によって常時基端側に押されている。クロスヘッド２はカム２０が回転することで左右方向に往復運動する。クロスヘッド２内部ですべり軸受２４，２６の外側からほぼ等距離にあるすべり軸受２４，２６の中間部にリング状の保持部材５を備えたプランジャ保持部３が設けられている。プランジャ保持部３は常時すべり軸受２４と２６の間に位置するように配置されている。
すべり軸受２４,２６としては、例えば潤滑油を含んだ樹脂からなる中空円筒状のベアリングを用いることができる。

プランジャ４の基端側に球体からなるプランジャホルダー６がプランジャ４の基端に設けられたピンに差し込まれて、着脱可能に取り付けられている。プランジャホルダー６はクロスヘッド２のプランジャ保持部３内部の保持部材５と係合するとともにプランジャ保持部３内部の壁面に接しながらプランジャ保持部３に回転可能に保持されている。すなわち、プランジャ４はクロスヘッド２に対して従動するとともに一定範囲内において回転方向への自由度をもっている。プランジャ４の回転の中心はプランジャホルダー６である。

クロスヘッド２とすべり軸受２４,２６との間には磨耗粉排出のための隙間が設けられている。そのため、図１（Ｂ）,（Ｃ）に示されるように、クロスヘッド２は圧力角の影響によって傾斜し、上下に揺れ動きながら往復運動する。クロスヘッド２の揺れ動きの中心はすべり軸受２４と２６の中間部に存在する。クロスヘッド２の揺れ動きの中心とは、ここでは上下方向への位置の変動が最も小さい位置であることを意味する。プランジャホルダー６を保持するプランジャ保持部３もすべり軸受２４と２６の中間部に設けられているので、プランジャ４の挙動の中心であるプランジャホルダー６の位置とクロスヘッド２の揺れ動きの中心位置がほぼ一致する。したがって、プランジャ４の挙動の中心はクロスヘッド２の揺れ動きの影響をほとんど受けることなく挙動が安定し、プランジャ４の往復運動が安定して行なわれる。これにより、プランジャ４とシール材１８の接触状態が安定するので、シール材１８の極端な磨耗がなくなり、寿命を延ばすことができる。

また、本発明の送液ポンプはこの実施例に限定されるものではない。例えば図２に示された送液ポンプは、図１に示された送液ポンプとは異なるプランジャ部分を備えたものである。すなわち、ポンプヘッド１０内部に摺動可能に配置され、カム２０に追従するカムフォロワ８ａを備えてカム２０が回転することによって往復運動するクロスヘッド２ａは、その中央部分のプランジャ保持部３ａでプランジャ４ａの基端側に固着された球体ではないプランジャホルダー６ａを保持している。プランジャ保持部３ａはプランジャ４ａと係合するリング状の保持部材５ａを備えている。プランジャホルダー６ａの保持部材５ａに対向する面は球面状となっており、保持部材５ａのプランジャホルダー６ａに接する面はプランジャホルダー６ａの球面状の面に対応する凹形状になっている。これにより、プランジャホルダー６ａは保持部材５ａの対向面上を摺動する。プランジャ４ａの基端側先端部は球面状となっており、プランジャ保持部３ａ内部の壁面に接している。この構造により、プランジャ４ａはクロスヘッド２ａに保持されながらもクロスヘッド２ａに対して回転方向に自由度をもっており、その回転の中心はクロスヘッド２ａの揺れ動きの中心とほぼ一致する。この場合も図１の実施例と同様に、プランジャホルダー６ａの位置は、クロスヘッド２ａの揺れ動きの中心位置とほぼ一致するように、すべり軸受２４，２６の中間部の位置に設定されている。

図１に示した送液ポンプの動作を説明する。
図１（Ａ）に示されるように、プランジャ４の先端部分がポンプ室１６内に押し込まれてポンプ室１６内の空間が押し潰された状態（以下、上死点という。）からカム２０の回転によってプランジャ４が徐々に基端側に移動して後退し、ポンプ室１６内に空間ができる。ポンプ室１６内にできた空間の圧力は吸引により減圧となるため、圧力差の関係によって逆止弁１２ａは開いて逆止弁１４ａは閉じ、吸入流路１２から送液対象である移動相が供給される。この動作は、（Ｃ）に示されるように、プランジャ４が最も後退し、ポンプ室１６内にできた空間が最大となる状態（以下、下死点という。）まで行なわれ、その空間内に移動相が貯留される。

下死点を越えると、プランジャ４は徐々に先端側に移動して前進し、プランジャ４の先端部分がポンプ室１６内の空間を押しつぶしていく。これにより、ポンプ室１６内の圧力は上昇して逆止弁１２ａは閉じて逆止弁１４ａは開くので、ポンプ室１６の空間内に貯留されていた移動相は送液流路１４へと押し出されていく。この動作は（Ａ）の上死点の状態になるまで行なわれ、ポンプ室１６内に貯留されていた移動相が送液流路１４側に押し出される。
さらに、上死点を越えた後は同じ動作が繰り返し行なわれ、移動相が吸入流路１２側から送液流路１４側へ送液される。

次に、本発明の送液ポンプを用いた液体クロマトグラフの一実施例を説明する。図３は液体クロマトグラフの一実施例を示す概略構成図である。
分析流路に移動相として溶離液を供給するための移動相供給部４０が配置されている。さらに分析流路上に、分析流路中に試料を注入するための試料注入部４４と、分析流路中に注入された試料を分離するための分離カラム４６と、分離カラム４６で分離された試料成分を検出する紫外、吸光度計などの検出器４８と、分析流路をドレイン側と他の検出器としての質量分析計５２側に選択的に接続する流路切替バルブ５０とを備えている。

移動相供給部４０は溶離液を送液するための送液ポンプ４２を備えている。送液ポンプ４２は、例えば図１や図２に示された本発明の送液ポンプである。送液ポンプ４２の構成は、１つの送液ポンプが図１や図２に示された送液ポンプ機構を１つだけ備えたものであってもよいし、同じポンプ機構を２つ備え、１つのモータで位相の異なるそれぞれのカム２０を駆動するダブルプランジャ方式のものであってもよい。

本発明の送液ポンプの一実施例を示す断面図であり、（Ｂ）,（Ｃ）はプランジャ部分の挙動を示す断面図である。 本発明の送液ポンプの他の実施例を示す断面図であり、（Ｂ）,（Ｃ）はプランジャ部分の挙動を示す断面図である。 液体クロマトグラフの一実施例を示す概略構成図である。 従来のプランジャポンプを示す断面図であり、（Ｂ）,（Ｃ）はプランジャ部分の挙動を示す図である。

符号の説明

２,２ａ クロスヘッド
３,３ａ プランジャ保持部
４,４ａ プランジャ
５,５ａ 保持部材
６,６ａ プランジャホルダー
８,８ａ カムフォロワ
１０ ポンプボディ
１２ 吸入流路
１２ａ,１４ａ 逆止弁
１４ 送液流路
１６ ポンプ室
１８ シール材
２０ カム
２２ ばね
２４,２６ すべり軸受
４０ 移動相供給部
４２ 送液ポンプ
４４ 試料注入部
４６ 分離カラム
４８ 検出器
５０ 流路切替バルブ
５２ 質量分析計

Claims (4)

1. ポンプボディ内部に摺動可能に保持され、カムの回転に追従して往復運動するクロスヘッドと、基端側にプランジャホルダーを備え、前記クロスヘッド内部に設けられたプランジャ保持部に前記プランジャホルダーが回転可能に保持されて前記クロスヘッドに従動するプランジャと、前記プランジャの先端部分がシール部材を通して挿入されたポンプ室と、を備えた送液ポンプにおいて、
   前記プランジャホルダーは前記クロスヘッドの往復運動における揺れ動きの中心位置に配置されていることを特徴とする送液ポンプ。
2. 前記ポンプボディ内部に２つのすべり軸受が離間して配置され、前記クロスヘッドは常時２つの前記すべり軸受の間に前記プランジャ保持部が位置するように前記すべり軸受に保持されており、前記プランジャホルダーの配置位置は前記すべり軸受の中間位置となっている請求項１に記載の送液ポンプ。
3. 前記プランジャホルダーは前記プランジャの基端部に着脱可能に取り付けられた球体である請求項１又は２に記載の送液ポンプ。
4. 分析流路に移動相を供給する移動相供給部と、前記分析流路中に試料を注入するための試料注入部と、前記試料注入部に注入された試料の分離を行なう分離カラムと、前記分離カラムで分離された試料を検出する検出部と、を備えた液体クロマトグラフにおいて、
   前記移動相供給部は請求項１から３のいずれかに記載の送液ポンプを備えていることを特徴とする液体クロマトグラフ。
   

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