JP2009198518A - 液圧増幅ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】充分な圧力を発生可能であり、超高圧液体クロマトグラフィ用に充分な範囲で実質的に一定の流量を発生するポンプを提供する。
【解決手段】液圧増幅器システムは１次ピストン２２が内部に配設されている１次ピストン室２０と、２次ピストン２６が内部に配設されている２次ピストン室３０とを備えている。１次ピストン２２の断面積は２次ピストン２６の断面積よりも大きい。ピストン２２、２６の断面積の違いによって、１次ピストン室２０内の圧力が増幅され、流量が縮減される。
【選択図】図２

Description

本発明は超高圧液体クロマトグラフィ用のポンプに関し、特に超高圧液体クロマトグラフィ用に必要な高圧で低流量を発生するためのポンプに関する。

典型的な高圧液体クロマトグラフィ（ＨＰＬＣ）で使用されるポンプは約５０００ｐｓｉの圧力を発生する。流れを発生するピストンを作動するために一般に機械的な機構を使用するこれらのポンプは、２５，０００ｐｓｉを超える圧力で動作する超高圧液体クロマトグラフィ（ＵＨＰＬＣ）に必要な圧力を発生できない。ＵＨＰＬＣシステム用の高圧を発生させるにはこれまで空気圧増幅器が使用されてきた。例えば、「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒｅｖｅｒｓｅｄ−Ｐｈａｓｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ ｉｎ Ｐａｃｋｅｄ Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｃｏｌｕｍｎｓ」という名称の論文、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１９９７年、６９（６）、９８３〜９８９ページ、では６０，０００ｐｓｉの圧力でアイソクラチックＬＣ分離を実施するために２個のハスケル空気圧ポンプが使用される。図１はこのような構造を示している。しかし、空気圧増幅器内のガスは圧縮可能であるので、空気圧増幅器は一定圧の流れしか供給できず、そのためグラジエントクロマトグラフィを実行するのに必要な高圧グラジエントミキシングができない。すなわち、グラジエントクロマトグラフィでは、２種類の溶剤が異なる率で混合されるのでそれぞれの溶剤が一定量で流れる必要があり、これは空気圧増幅器ポンプでは不可能である。あるいは、単一のポンプにグラジエント混合物を供給してグラジエントクロマトグラフィを実施することができる。しかし、これはＵＨＰＬＣで使用される低い流量では実施困難である。

「Ｕｌｔｒａｈｉｇｈ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒｅｖｅｒｓｅｄ−Ｐｈａｓｅ Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ：Ｉｓｏｃｒａｔｉｃ ａｎｄ Ｇｒａｄｉｅｎｔ Ｅｌｕｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｌｕｍｎｓ Ｐａｃｋｅｄ ｗｉｔｈ １．０−ｍ Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ」という名称の論文、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１９９９年、７１（３）、７００〜７０８ページ、は空気圧アクチュエータではなく機械式アクチュエータを使用したＵＨＰＬＣシステムを記載している。機械式アクチュエータはギヤ減速システムに接続された電動モータと、ピストンを動かすリニアアクチュエータとを含む超高圧定流量シリンジポンプを備えている。シリンジポンプは１３０，０００ｐｓｉを超える動作圧を発生できるが、機械式アクチュエータは効果的に商業化するには大型過ぎる。

本発明は充分な圧力を発生可能であり、超高圧液体クロマトグラフィ用に充分な範囲で実質的に一定の流量を発生するポンプを提供する。

本発明によるポンプは約３０，０００ｐｓｉを超える高圧と、約１μＬ／ｍｉｎ以下の低流量とを発生するために液圧力を利用する液圧増幅器システムを備えている。作動液を液圧増幅器の１次シリンダに注入するためにＨＰＬＣポンプが使用される。１次シリンダは２次シリンダに格納されている小径ピストンを作動させる大径ピストンを含んでいる。ピストンの断面積が縮小されているので、１次シリンダ内の圧力は増幅される。圧力増幅の量はピストンの表面積の比率によって決まる。液圧増幅器の断面積の縮小も流量の低減を生じ、それによって所望の流量が達成される。

本発明の特徴と利点には、約３０，０００ｐｓｉを超える圧力と、約１μＬ／ｍｉｎ以下の流量とを発生可能なポンプ構成を備えることが含まれている。本発明によるポンプ構成は、超高圧液体クロマトグラフィシステムで使用するのに適しており、信頼性が高く、製造しやすい。１次ポンプ液の流れを制御するために標準型の市販のＨＰＬＣポンプ技術を利用できる。

本発明による構成は、２次ピストン内の圧力トランスデューサを省くように実施できる。有利なことに死空間を最小限にできる。

本発明は、例えば溶剤の圧縮性によって正確な流れの制御が困難である場合に、一定の圧力でグラジエント分離を実施するためにも使用できる。

本発明の前述および他の特徴および利点は、添付の図面と共に述べる、以下の例示的な実施形態の詳細な説明から、より完全に理解されるであろう。

空気圧増幅器ポンプを含むＬＣシステムを示した図面である。 単一の液圧増幅器システムを示した図面である。 グラジエント液圧増幅器システムを示した図面である。

図２は本発明による単一の液圧増幅器システムの概略図である。このシステムは多重ポートＨＰＬＣロータリーバルブ１２を経て一定の流量で作動液を液圧シリンダ１４へと注入するＨＰＬＣポンプ１０を備えている。過剰な作動液はタンク１３に蓄積される。多重ポートバルブ１２の位置は、ＨＰＬＣポンプが「ポンプモード」または「再充填モード」のいずれで動作するかを制御するため、作動液が入口バルブ１６または出口バルブ１８のいずれを通って流れるかを決定する。「ポンプモード」では、ＨＰＬＣポンプ１０からの作動液は液圧シリンダ１４の入口室２０へと向けられ、それによって１次ピストン２２は第１の方向（図２では右方向）に変位する。「再充填モード」では、作動液は出口室２４内に向けて送られ、それによって１次ピストン２２は第２の方向（図２では左方向）に変位する。１次ピストン２２はピストンカップラ２８を介して２次ピストン２６に連結されている。

１次ピストン２２はピストンカップラ２８を介して２次ピストン２６を作動させる。２次ピストン２６が作動されると、２次ピストン室３０内に保存されているＬＣ溶剤が２次出口逆止め弁３２を経てクロマトグラフィシステム３４へと移動される。過剰なＬＣ溶剤はＬＣ溶剤タンク３６から２次入口逆止め弁３８を経て２次ピストン室３０に供給される。

図２に示すように、１次ピストン２２の直径は２次ピストン２６の直径よりも大きい。直径の違いによる面積の違いによって面積比に比例する圧力増幅が生ずる。具体的には、１次ピストンの半径をＲ１とし、２次ピストンの半径をＲ２とすると、圧力増幅は下記のように計算できる。

ただし、Ｐ_１は１次ピストンに作用する圧力
Ｐ_２は２次ピストンに作用する圧力
Ａ_１は１次ピストンの面積
Ａ_２は２次ピストンの面積
Ｄ_１は１次ピストンの直径
Ｄ_２は２次ピストンの直径
である。

一例として、１次ピストン２２の直径が３ｃｍであり、２次ピストン２６の直径が０．５ｃｍである場合、圧力は３６倍に増幅される。すなわち、ＨＰＬＣポンプ１０が１３８９ｐｓｉの圧力で作動液を送ると、２次室内の圧力は５０，０００ｐｓｉとなる。

１次ピストン２２の両端間の圧力差は２次ピストン２６によってクロマトグラフィシステム３４に送られる圧力を決定するために利用できる。これは、圧力トランスデューサを２次ピストン室３０内に配置することにとって好適である。というのは、高圧を計測可能である圧力トランスデューサは製造が困難であり、２次側の死空間を増やし、また通常はトランスデューサ内外への液体管路を配管するために追加の継手が必要であるからである。有利なことに、２次側の死空間を最小限にすることで、システムを加圧するために必要な時間が短縮される。２次ピストン２６によって加えられる圧力は、前述のように１次ピストン２２の両端間の圧力差をピストンの面積比で乗算した値に等しいので、１次ピストンの両端間の圧力差を正確に計測することが決定的に重要である。というのは、この比率によって誤差が増倍するからである。

１次ピストン２２の両端間の圧力差は、液圧シリンダ１４の出口室２４内の圧力を液圧シリンダ１４の入口室２０内の圧力から減算することによって計算される。図２に示すように、液圧シリンダ１４の入口室２０内の圧力は液圧シリンダ１４の入口に位置する入口圧力トランスデューサ４０によって測定され、また液圧シリンダ１４の出口室２４内の圧力は液圧シリンダ１４の出口に位置する出口圧力トランスデューサ４２によって測定される。圧力トランスデューサをこれらの位置に配置することによって、ＨＰＬＣポンプ１０を液圧シリンダ１４に連結する配管およびバルブ、および液圧シリンダを作動液タンクへと連結して戻す配管およびバルブ内の液体抵抗の効果が最小限に抑えられる。あるいは、圧力トランスデューサ４０、４２をそれぞれ入口室２０と出口室２４の内部に配置することもできる。

圧力増幅に加えて、液圧増幅器は流量の縮減をも行う。図示した実施形態では、２次ピストンと１次ピストンはほぼ同じ線速度を有している。しかし、断面積の差によって、流量が縮減される。流量の縮減は下記のように計算される。

ただし：
Ｆ_１は１次流量
Ｆ_２は２次流量
Ａ_１は１次ピストンの面積
Ａ_２は２次ピストンの面積
Ｄ_１は１次ピストンの直径
Ｄ_２は２次ピストンの直径
である。

一例として、１次ピストン２２の直径が３ｃｍであり、２次ピストン２６の直径が０．５ｃｍである場合、流量は３６分の１倍に縮減される。すなわち、１次流量が０．１ｍＬ／ｍｉｎである場合、２次流量は２．７８ｕＬ／ｍｉｎとなる。このような流量の縮減によって、大幅に少ない流量でＬＣ溶剤をクロマトグラフィシステムに送ることが可能になる。

したがって、１次および２次ピストンのピストン面積を適切に選択することによって、適切な圧力と流量で毛管ＵＨＰＬＣを実施するために標準的なＨＰＬＣポンプを使用できる。さらに、計量された流れを送る前に液圧増幅器に適した作動圧を決定するために、クロマトグラフィシステムによって所定の流量で生成される背圧を決定する必要がある。クロマトグラフィシステムによって生成される背圧は、カラム内で使用される粒子のサイズ、カラムの内径、および溶剤の粘度に基づいて計算することができる。この計算をガイドとして実施することは有用であるが、クロマトグラフィシステムが所望の流量での安定した圧力に平衡させることができるようにすることによって実際の作動圧を決定するため、通常はシステムの分析的動作の前に実験が行われる。

線形位置トランスデューサ４４は１次および２次ピストンの位置を測定する。この情報は、液圧シリンダ１４への液体の流れの停止、１次ピストン２２が終端に達した場合のロータリーバルブ１２の切り換え、２次ピストン２６によって供給されるＬＣ溶剤の体積の計算、または２次ピストン２６によって供給される流量の計算のような様々な目的のためにシステムコントローラ４６によって利用することができる。実際の流量と予測流量との差は１次システムでの漏れを示している。それが生じた場合は、規定の２次流量を保持するために、１次流量を調整するためのフィードバックシステムを利用できる。

ホストＰＣと通信するマイクロコントローラ（すなわち内蔵システム）のような自動化されたコンピュータがシステムコントローラ４６として使用される。ＨＰＬＣポンプ１０、および圧力トランスデューサ４０、４２、および線形位置トランスデューサ４４からのフィードバックデータを制御し、２次圧力およびピストン位置を自動的に計算し、かつ表示し、またシステムの初期加圧、および後続の計量された流れを自動的に計算するために、自動化されたコンピュータを利用できる。

ＵＨＰＬＣが実施される高圧により、また溶剤の圧縮性により、ピストンストロークのかなりの部分が溶剤を圧縮するために使用される。ＵＨＰＬＣで使用される低流量により、ＬＣ溶剤を作用圧まで圧縮するのにある程度の時間がかかり、最初は、クロマトグラフィシステムへの流れの供給はピストンの変位とは比例しない。これらの要因によって、所望の２次作動圧が達成されるまで、高い流量でＨＰＬＣポンプ１０を運転することが有利である。

液圧増幅器１４の動作は以下のように記述することができる。再充填モードでは、１次ピストン２２を再びフルに引っ込んだ位置に駆動するために、作動液をＨＰＬＣポンプ１０から液圧シリンダ１４の出口室２４へと直接向けることによって、液圧シリンダ１４は再充填される。１次ピストン２２が引っ込むとＬＣ溶剤は入口逆止め弁３８を経て２次室３０へと引き込まれる。次にＨＰＬＣポンプ１０は、液圧シリンダ１４の入口室２０の圧力が所望の作動圧に達するまで、最大の流量でポンプモードで動作する。次に、液圧シリンダ１４を経て所望の流量をクロマトグラフィシステム３４に給送するため、ＨＰＬＣポンプ１０の流れが変更される。１次ピストンの位置は継続的に監視されるので、１次ピストン２２がストロークの終端に達するとＨＰＬＣポンプを停止させることができる。

図３はミキシング室１０５を経て異なる溶剤をクロマトグラフィシステム１０３に注入する２つの別個の液圧増幅器１００、１０１を含むグラジエント液圧増幅器システムを示している。定流量モードでは、クロマトグラフィ分離の過程で溶剤の成分が制御されたかたちで変更されるように、溶剤の流量を変更することができる。各液圧増幅器は図２の液圧シリンダ１４と実質的に同様の液圧シリンダ１０７を含んでいる。例えば、各液圧シリンダ１０７は入口室１０８／２０８、１次ピストン１０９／２０９、出口室１１０／２１０、２次ピストン１１１／２１１、２次ピストン室１１２／２１２、液圧ポンプ１１３／２１３、マルチポイントバルブ１１５／２１５、１次入口圧力トランスデューサ１１７／２１７、１次出口圧力トランスデューサ１１９／２１９、溶剤タンク１２１／２２１、２次入口逆止め弁１２３／２２３、２次出口逆止め弁１２５／２２５、および線形位置トランスデューサ１２６／２２６を含んでいる。液圧増幅器の動作を制御し、同期化させるために共通のシステムコントローラ１２７が使用される。液体クロマトグラフィシステム１０３への流量は実質的に一定に保持され、一方、異なる溶剤の相対的流量は、継続的に変化する溶剤グラジエントをクロマトグラフィシステム１０３に供給するためにクロマトグラフィの動作中に変更される。図３は液圧増幅器を含んでいるが、より複雑なシステム用に追加の液圧増幅器を使用することができる。

システムコントローラはここではホストＰＣと通信するマイクロコントローラ（すなわち内蔵システム）として説明されているが、内蔵システムのみ、またはホストＰＣのみ、などを使用してもよいことが理解されよう。

ピストンの位置は単一の線形位置トランスデューサによって測定されるものとして示されているが、１個以上のトランスデューサを使用することもでき、および／または可変抵抗素子、線形電圧差動トランスデューサ（ＬＶＤＴ）、光学エンコーダなどのような代替の位置センサを実装することもできることが理解されよう。線形位置トランスデューサは図面では１次ピストンと２次ピストンとの境界に連結されているものとして示されているが、１次ピストンと２次ピストンのどの部分に配置してもよく、または両者を連結するシャフトに配置してもよい。

本発明はさらに、例えば溶剤の圧縮性によって正確な流量制御が困難である場合に、一定の圧力でグラジエント分離を行うためにも使用できる。定圧力モードでは、２つの液圧増幅器によって供給される総流量（すなわち２つのグラジエント成分）は圧力の設定ポイントを維持するために変更されよう。液圧増幅器によって供給されるこの総流量（すなわちグラジエント成分）の比率はグラジエントを供給するために動作の過程で変更できよう。

本発明を実施例に関連して説明してきたが、本発明の精神と範囲から逸脱することなく、形態および細部にその他の様々な変更、省略、および追加を行うことが可能である。

Claims (20)

1. クロマトグラフィシステムに溶剤を供給するための液圧増幅器システムであって、
   前記クロマトグラフィシステムに加圧された溶剤を供給する液圧シリンダと、
   該液圧シリンダを作動させるため、加圧された作動液を供給するポンプとを備えた液圧増幅器システム。
2. 前記液圧シリンダは溶剤を実質的に一定の流量で前記クロマトグラフィシステムに供給する請求項１に記載の液圧増幅器システム。
3. 前記液圧シリンダは、
   入口室と、
   出口室と、
   前記入口室内に配設され、前記加圧された作動液によって駆動される１次ピストンと、
   ２次ピストン室内に配設され、前記１次ピストンによって作動される２次ピストンとを備え、
   前記１次ピストンの断面積は前記２次ピストンの断面積よりも大きいため、前記２次ピストン室内の圧力は前記入口室内の圧力よりも高く、前記２次ピストン室を通って流れる流量は前記出口室を通って流れる流量よりも少ない請求項１に記載の液圧増幅器システム。
4. 前記１次ピストンの断面積と前記２次ピストンの断面積との比率は少なくとも４：１である請求項３に記載の液圧増幅器システム。
5. 前記１次ピストンおよび前記２次ピストンの位置を計測する線形位置トランスデューサ１４をさらに含む請求項３に記載の液圧増幅器システム。
6. 前記１次ピストンへの流れを調整することによって、ポンプモードおよび再充填モードの一方での前記１次ピストンの動作を制御する多重ポートバルブをさらに備えた請求項３に記載の液圧増幅器システム。
7. 前記液圧シリンダの入口室内の圧力を計測する第１圧力トランスデューサと、
   前記液圧シリンダの出口室内の圧力を計測する第２圧力トランスデューサとをさらに含み、前記第１圧力トランスデューサおよび前記第２圧力トランスデューサの測定値は前記１次ピストンの両端間の圧力差と前記２次ピストンの前記圧力を計算するために利用される請求項３に記載の液圧増幅器システム。
8. 前記液圧増幅器システムを制御するためのシステムコントローラをさらに備えた請求項１に記載の液圧増幅器システム。
9. 前記クロマトグラフィシステムへの溶剤の供給を調整する出口逆止め弁をさらに備えた請求項１に記載の液圧増幅器システム。
10. 前記２次ピストン室に溶剤を供給する入口逆止め弁をさらに備えた請求項３に記載の液圧増幅器システム。
11. クロマトグラフィシステムに溶剤を供給するための液圧増幅器システムであって、
    前記クロマトグラフィシステムに第１の加圧溶剤を供給するための第１液圧シリンダと、
    前記第１液圧シリンダを作動させるため実質的に一定の流量で加圧作動液を供給する第１ポンプと、
    前記クロマトグラフィシステムに第２の加圧溶剤を供給するための第２液圧シリンダと、
    前記第２液圧シリンダを作動させるため実質的に一定の流量で加圧作動液を供給する第１ポンプとをさらに備えた液圧増幅器システム。
12. 前記第１液圧シリンダは前記第１溶剤を第１の一定の流量で前記クロマトグラフィシステムに供給し、前記第２液圧シリンダは前記第２溶剤を第２の一定の流量で前記クロマトグラフィシステムに供給する請求項１１に記載の液圧増幅器システム。
13. 前記第１および第２液圧シリンダは、
    入口室と、
    出口室と、
    前記入口室内に配設され、前記加圧された作動液によって駆動される１次ピストンと、
    ２次ピストン室内に配設され、前記１次ピストンによって作動される２次ピストンとを備え、
    前記１次ピストンの断面積は前記２次ピストンの断面積よりも大きいため、前記２次ピストン室内の圧力は前記入口室内の圧力よりも高く、前記２次ピストン室を通って流れる流量は前記出口室を通って流れる流量よりも少ない請求項１１に記載の液圧増幅器システム。
14. 前記１次ピストンの断面積と前記２次ピストンの断面積との比率は少なくとも４：１である請求項１３に記載の液圧増幅器システム。
15. 前記第１液圧シリンダの前記１次ピストンおよび前記２次ピストンの位置を計測する第１線形位置トランスデューサと、
    前記第２液圧シリンダの前記１次ピストンおよび前記２次ピストンの位置を計測する第２線形位置トランスデューサと
    をさらに含む請求項１３に記載の液圧増幅器システム。
16. 前記第１液圧シリンダの前記１次ピストンへの流れを調整することによって、ポンプモードおよび再充填モードの一方での前記第１液圧シリンダの前記１次ピストンの動作を制御する第１多重ポートバルブと、
    前記第２液圧シリンダの前記１次ピストンへの流れを調整することによって、ポンプモードおよび再充填モードの一方での第２液圧シリンダの前記１次ピストンの動作を調整する第２多重ポートバルブと
    をさらに備えた請求項１３に記載の液圧増幅器システム。
17. 前記第１液圧シリンダの前記入口室内の圧力を計測する第１圧力トランスデューサと、
    前記第１液圧シリンダの前記出口室内の圧力を計測する第２圧力トランスデューサとをさらに備え、前記第１圧力トランスデューサおよび前記第２圧力トランスデューサの測定値は前記第１液圧シリンダの前記１次ピストンの両端間の圧力差を計算するために利用され、
    前記第２液圧シリンダの前記入口室内の圧力を計測する第３圧力トランスデューサと、
    前記第２液圧シリンダの前記出口室内の圧力を計測する第４圧力トランスデューサとをさらに備え、前記第３圧力トランスデューサおよび前記第４圧力トランスデューサの測定値は前記第２液圧シリンダの前記１次ピストンの両端間の圧力差を計算するために利用される請求項１３に記載の液圧増幅器システム。
18. 前記液圧増幅器システムを制御するためのシステムコントローラをさらに備えた請求項１３に記載の液圧増幅器システム。
19. 前記クロマトグラフィシステムへの前記第１溶剤の供給を調整する、前記第１液圧シリンダに取り付けられた第１出口逆止め弁と、
    前記クロマトグラフィシステムへの前記第２溶剤の供給を調整する、前記第２液圧シリンダに取り付けられた第２出口逆止め弁と
    をさらに備えた請求項１１に記載の液圧増幅器システム。
20. 前記第１液圧シリンダの前記２次ピストン室に前記第１溶剤を供給する、前記第１液圧シリンダに取り付けられた第１入口逆止め弁と、
    前記第２液圧シリンダの前記２次ピストン室に前記第２溶剤を供給する、前記第２液圧シリンダに取り付けられた第２入口逆止め弁と
    をさらに備えた請求項１３に記載の液圧増幅器システム。

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