JP2010145311A - 計量ポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】１つの計量ポンプで広い範囲の液量をその液量に応じた分解能で計量することができるようにする。
【解決手段】液体を吸入・吐出するための液出入口４が先端部に設けられた中空円筒形の大径シリンダ２（第２シリンダ）内に摺動部材６（第２ピストン）が摺動可能に収容されている。摺動部材６は内部に円筒形状の空洞である小径シリンダ８（第１シリンダ）を備え、小径シリンダ８の内部にピストン１０（第１ピストン）が収容されている。ピストン１０先端の円板部分の外周面と小径シリンダ８の内壁との間の摩擦力は摺動部材６の外周面と大径シリンダ２の内壁との間の摩擦力よりも小さい。液体を吸入する際は、ピストン１０が吸入方向に移動するように駆動し、ピストン１０は先端部が小径シリンダ８内において上死点に達するまでは単独で吸入方向へ移動し、ピストン１０の先端部が上死点に達してさらに吸入方向へ移動するようにピストン１０を駆動することで、摺動部材６がピストン１０と連動して吸入方向へ移動する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体を計量しながら吸入して吐出することができる計量ポンプに関するものである。

高速液体クロマトグラフでは、分析流路のインジェクションポートに試料を自動的に注入する自動試料注入装置が一般的に設けられている。自動試料注入装置は、計量ポンプを用いて試料水を計量し、液体クロマトグラフの所定の位置に分注するものである。

計量ポンプはシリンダ内を摺動するピストンのストローク長によって吸入量を制御するものである。ピストンはステッピングモータなどによって駆動され、ステッピングモータの１ステップ分のストロークが計量ポンプの最小分解能となる。したがって、計量ポンプの最小分解能はシリンダ内径が小さいほど高く、逆にシリンダ内径が大きいほど分解能は低くなってしまう。

シリンダ内径の小さいシリンジを用いれば高分解能で計量を行なうことができるが、内径の小さいシリンダは容量も限られており、大量の液体の計量を行ないたい場合に一度の吸入動作で計量を行なうことができない場合がある。例えばシリンダ容量が１００μＬの計量ポンプで２００μＬの計量を行なうには、１００μＬの計量を行なった後でピストンを元の位置に戻してから再度１００μＬの計量を行なわなければならず、１００μＬの計量２回分の時間とプランジャを原点に戻す時間が必要となる。１０００μＬの計量を行なう場合にはさらに長い時間を要する。

これに対し、シリンダ容量が２０００μＬの大容量のシリンダをもつ計量ポンプで１０００μＬの計量を行なえば、１回の吸引で計量することができる。ところが、そのようなシリンダ容量の大きい計量ポンプはシリンダの内径が大きいために分解能が低く、計量すべき液量が１０μＬなど少量である場合には正確な計量を行なうことができない。
したがって、１つの計量ポンプのみで高分解能と幅広い計量範囲との両方を達成することは困難であった。
特開平２−２１８９６１号公報

上記の問題を解決するために、一般的には、自動試料注入装置にシリンダ容量（シリンダ内径）の異なる複数の計量ポンプを具備させて計量すべき液量に応じて使用する計量ポンプを切り替えるようにすることで対応していた。しかし、そうすると複数の計量ポンプを駆動制御する機構が必要となるため、コストが高くなるし、設置面積も大きくなる。

そこで、シリンダの内径を可変にすることも提案されている（特許文献１参照。）。そこでは、ピストンを多重構造にし、内側のピストンが独立して摺動できるようにする。内側のピストンが外側のピストンをシリンダとしてその内側を摺動するようになっている。多重に重ねられた各ピストンはキイピンを嵌め込むことによって連動・不連動を切り替えることができる。すなわち、キイピンの嵌め込みによってシリンダ内径の調節が可能である。

しかし、上記の構成では、作業者が計量すべき液量に応じてどのピストンを連動させるかをキイピンによって調節する必要がある。装置にキイピンによって連動させるピストンを切り替える機構を設けてもよいが、そうすると装置が複雑化し、コストも高くなる。

そこで本発明は、１つの計量ポンプで広い範囲の液量をその液量に応じた分解能で計量することができるようにすることを目的とするものである。

本発明の計量ポンプは、第１シリンダと、上死点及び下死点に達するまでは独立して第１シリンダ内を往復方向に摺動する第１ピストンと、第１シリンダよりも内径の大きい第２シリンダと、第２シリンダ内に収容されるとともに第２シリンダとの間の摩擦力が第１ピストンと第１シリンダとの間の摩擦力よりも大きく設定されていることにより、内部に第１シリンダ及び第１ピストンを備え、液体吸入時に第１ピストンが上死点に達してさらに吸入方向へ移動するように駆動されたとき及び液体吐出時に第１ピストンが下死点に達してさらに吐出方向へ移動するように駆動されたときに第１ピストンと係合することによって第１ピストンと連動して第２シリンダ内を摺動する第２ピストンと、液体を吸入し又は吐出するための第１シリンダ及び第２シリンダ共通の液出入口と、第１ピストンを駆動する駆動部と、を備えたものである。

本発明の計量ポンプは、内径の異なる第１シリンダ及び第２シリンダと、それらのシリンダ内を摺動する第１ピストン及び第２ピストンを備えている。第１ピストンは上死点及び下死点に達するまでは単独で第１シリンダ内を摺動し、液体吸入時に第１ピストンが上死点に達してしてさらに吸入方向へ移動するように駆動されたときと液体吐出時に第１ピストンが下死点に達してしてさらに吐出方向へ移動するように駆動されたときに第２ピストンが第１ピストンと係合することによって第１ピストンと連動して第２シリンダ内を摺動する。ここで「上死点」はシリンダへの液体吸入量が最大になる点を意味し、「下死点」は初期状態及び液体吸入量が最小となる点を意味する。

上記の構成によれば、液体吸入時は、まず初めに第１ピストンのみが移動して内径の小さい第１シリンダ内に液体が吸入される。第１ピストンが上死点に達すると第１ピストンと第２ピストンが係合する。第１ピストンがさらに吸入方向へ移動するように駆動されることで、第２ピストンが第１ピストンと連動して第２シリンダ内を摺動し、第１シリンダよりも内径の大きい第２シリンダ内に液体が吸入される。すなわち、第１シリンダが充填される一定量までは内径の小さい第１シリンダのみを用いて液体の吸入が行なわれ、それ以上の量になると内径の大きい第２シリンダを用いて液体の吸入が行なわれる。

なお、本発明の計量ポンプは、シリンダが２つ設けられているものに限定されず、３つ以上のシリンダが設けられていてもよい。その場合は、第２シリンダ及び第２ピストンは第２シリンダよりもさらに内径の大きい第３シリンダ内に収容された第３ピストンの内部に設けられており、第３ピストンと第３シリンダとの摩擦力が第２ピストンと第２シリンダとの間の摩擦力よりも大きく設定されていることにより、第３ピストンは液体吸入時に第２ピストンが上死点に達してさらに吸入方向へ移動するように駆動されたとき及び液体吐出時に第２ピストンが下死点に達してさらに吐出方向へ移動するように駆動されたときに第２ピストンと連動して第３シリンダ内を摺動するようになっている。

本発明では、第１ピストンは上死点及び下死点に達するまでは単独で第１シリンダ内を摺動し、液体吸入時に第１ピストンが上死点に達してさらに吸入方向へ移動するように駆動されたとき及び液体吐出時に第１ピストンが下死点に達してさらに吐出方向へ移動するように駆動されたときに第２ピストンが第１ピストンと連動して第２シリンダ内を摺動するので、計量すべき液量が少量のときは自動的に内径の小さい第１シリンダを用いて高分解能で計量を行なうことができ、計量すべき液量がそれ以上のときは内径と容量が第１シリンダよりも大きい第２シリンダを用いて計量を行なうことができる。この計量ポンプ１つで装置にシリンダ内径の異なる２つの計量ポンプを具備させた場合と同様の効果が得られるが、２つの計量ポンプを具備する場合よりもコストや設置面積を抑えることができる。また、内径の小さい第１シリンダから内径の大きい第２シリンダへの切替えは第１シリンダ内で第１ピストンが上死点に達したときに自動的に行われるので、特許文献１のように計量すべき液量に応じて作業者がシリンダの内径を切り替える必要もなく、自動化することも可能になる。

図１に計量ポンプの一実施例の断面図を示す。なお、図１はこの実施例の計量ポンプの初期状態を示している。
この実施例の計量ポンプは、液体を吸入・吐出するための液出入口４が先端部に設けられた中空円筒形の大径シリンダ２（第２シリンダ）を備えており、大径シリンダ２内に摺動部材６（第２ピストン）が摺動可能に収容されている。大径シリンダ２は液体クロマトグラフなどの適用装置に固定される。この実施例の計量ポンプにおいて液出入口４が設けられている側（図において上側）を先端側と呼び、その反対側（図において下側）を基端側と呼ぶ。

摺動部材６は内部に円筒形状の空洞である小径シリンダ８（第１シリンダ）を備え、小径シリンダ８の内部にピストン１０（第１ピストン）が収容されている。ピストン１０の先端部は小径シリンダ８の内径と略同径の円板形状である。小径シリンダ８は内径の小さい（例えば液出入口４と同径）孔を介して液出入口４に通じており、大径シリンダ２と液出入口４を共用している。大径シリンダ２の内径は例えば２２ｍｍ程度であり、小径シリンダ８の内径は例えば３ｍｍ程度である。摺動部材６とピストン１０は例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）からなる。

ピストン１０の柄の部分は摺動部材６及び大径シリンダ２に設けられた孔を通って大径シリンダ２基端側の外側へ突き出しており、ステッピングモータ１１からなる駆動部によって往復移動させられる。ステッピングモータ１１からなる駆動部はピストン１０を吸入方向（図において下方向）と吐出方向（図において上方向）へ移動させるものである。

摺動部材６の外周面は大径シリンダ２の内壁に接し、ピストン１０先端の円板部分の外周面は小径シリンダ８の内壁に接しているが、ピストン１０先端の円板部分の外周面と小径シリンダ８の内壁との間の摩擦力は摺動部材６の外周面と大径シリンダ２の内壁との間の摩擦力よりも小さい。そのため、ピストン１０先端部が小径シリンダ８内を摺動しても、そのとき発生する摩擦力によって摺動部材６がピストン１０に連動することはない。すなわち、ピストン１０は先端の円板部分が上死点又は下死点に達するまでは単独で移動し、ピストン１０先端の円板部分が上死点又は下死点に達しさらに同じ方向へ移動するように駆動されて初めて摺動部材６がピストン１０に連動して大径シリンダ２内を摺動する。

この実施例の計量ポンプを用いた計量動作について説明する。
既述のように図１は初期状態を示しており、摺動部材６及びピストン１０が下死点にある。この状態からピストン１０を吸入方向に移動するように駆動するとピストン１０が単独で吸入方向へ移動し、小径シリンダ８に液体が吸入される（図２を参照。）。計量すべき液量が小径シリンダ８の容量以下である場合は、ピストン１０を吸入方向へ所定の長さだけ移動させた後、逆に吐出方向へピストン１０を移動させることで小径シリンダ８に吸入された液体が液出入口４から吐出される。

計量すべき液量が小径シリンダ８の容量よりも多い場合は、ピストン１０を小径シリンダ８における上死点まで移動させ、さらにピストン１０を吸入方向に移動させるように駆動することにより、ピストン１０と係合した摺動部材６がピストン１０と連動して吸入方向へ移動する。摺動部材６が吸入方向へ移動することにより、大径シリンダ２内に空間２ａが形成され、その空間２ａに液体が吸入される（図３、図４を参照。）。

吸入した液体を吐出する際はピストン１０を吐出方向へ移動するように駆動するが、このとき最初にピストン１０のみが単独で吐出方向へ移動し、小径シリンダ８から液体が押し出され、液出入口４からその分の液体が吐出される（図５を参照。）。その後、ピストン１０が小径シリンダ８における下死点に達し、さらにピストン１０が吐出方向へ移動するように駆動することで摺動部材６がピストン１０と連動して吐出方向へ移動し、空間２ａの液体が液出入口４から吐出される（図６を参照。）。

上記のように、この実施例の計量ポンプでは、計量すべき液量が少量のときは内径の小さい小径シリンダ８のみを使用して計量が行なわれ、一定以上の液量の計量の場合には内径の大きい大径シリンダ２も使用して計量が行なわれる。すなわち、計量すべき液量が少量のときは自動的に内径の小さいシリンダを用いた高分解能での計量が行なわれ、計量すべき液量が多いときは自動的に内径及び容量の大きいシリンダを使用するように切り替わって計量が行なわれる。これにより、１つの計量ポンプで計量すべき液量が少量の場合も大量の場合にも対応することができ、複数の計量ポンプを具備させるよりも低コストで設置面積も小さくできる。

この実施例の計量ポンプは、小径シリンダ８のみを使用するか大径シリンダ２も使用するかはピストン１０のストローク長のみによって決定されるため、作業者の手作業を介することなく、また特別な機構を設けることなく、計量すべき液量に応じたシリンダ内径での計量を容易に行なうことができる。さらに、ピストン１０のストローク長を制御するだけでよいので、既存の自動試料注入装置などにおいて自動化を図ることも可能である。

また、図７に示されているように、計量ポンプのシリンダ内径がさらに多段階に変化する構成にすることもできる。図７の例では、大径シリンダ２（第３シリンダ）内に摺動摺動部材６ａ（第３ピストン）が摺動可能に収容されている。摺動部材６ａの内部に円筒形状の空洞である中径シリンダ１２（第２シリンダ）が設けられ、中径シリンダ１２内に摺動部材６ｂ（第２ピストン）が摺動可能に収容されている。摺動部材６ｂの内部に円筒形状の空洞である小径シリンダ８（第１シリンダ）が設けられ、小径シリンダ８内にピストン１０の先端部（第１ピストン）が収容されている。

ピストン１０先端の円板部分の外周面と小径シリンダ８の内壁との間の摩擦力は、摺動部材６ａの外周面と大径シリンダ２の内壁との間の摩擦力及び摺動部材６ｂの外周面と中径シリンダ１２の内壁との間の摩擦力よりも小さい。さらに、摺動部材６ａの外周面と大径シリンダ２の内壁との間の摩擦力は摺動部材６ｂの外周面と中径シリンダ１２の内壁との間の摩擦力よりも小さい。そのため、ピストン１０先端部が小径シリンダ８内を摺動するときの摩擦力によって摺動部材６ｂがピストン１０に連動して移動することはなく、摺動部材６ｂが中径シリンダ１２内を摺動するときの摩擦力によって摺動部材６ａが摺動部材６ｂに連動して移動することはない。すなわち、ピストン１０は先端の円板部分が上死点又は下死点に達するまでは単独で移動し、ピストン１０先端の円板部分が上死点又は下死点に達しさらに同じ方向へ移動するように駆動されて初めて摺動部材６ｂが中径シリンダ１２内を摺動し、さらに摺動部材６ｂが上死点又は下死点に達しさらに同じ方向へ移動するようにピストン１０が駆動されて初めて摺動部材６ａが大径シリンダ２内を摺動する。

このように計量すべき液量に応じて多段階にシリンダ内径を変化させるようにすることで、計量すべき液量が大量である場合にかかる時間は図１の実施例よりも長くなるものの、計量すべき液量が小径シリンダ８の容量よりも少しだけ多いような場合に、大径シリンダ２よりも内径の小さい中径シリンダ１２を使用できるので、大径シリンダ２を使用するよりも分解能が高くなり、計量の精度を高めることができる。

計量ポンプの一実施例を示す断面図である。 同実施例の計量ポンプを用いた計量・注入動作の一工程を示す断面図である。 同実施例の計量ポンプを用いた計量・注入動作の他の工程を示す断面図である。 同実施例の計量ポンプを用いた計量・注入動作の他の工程を示す断面図である。 同実施例の計量ポンプを用いた計量・注入動作の他の工程を示す断面図である。 同実施例の計量ポンプを用いた計量・注入動作の他の工程を示す断面図である。 計量ポンプの他の実施例を示す断面図である。

符号の説明

２ 大径シリンダ
４ 液出入口
６ 摺動部材
８ 小径シリンダ
１０ ピストン
１１ ステッピングモータ

Claims (2)

1. 第１シリンダと、
   上死点及び下死点に達するまでは独立して第１シリンダ内を往復方向に摺動する第１ピストンと、
   第１シリンダよりも内径の大きい第２シリンダと、
   第２シリンダ内に収容されるとともに第２シリンダとの間の摩擦力が第１ピストンと第１シリンダとの間の摩擦力よりも大きく設定されていることにより、内部に第１シリンダ及び第１ピストンを備え、液体吸入時に第１ピストンが上死点に達してさらに吸入方向へ移動するように駆動されたとき及び液体吐出時に第１ピストンが下死点に達してさらに吐出方向へ移動するように駆動されたときに第１ピストンと係合することによって第１ピストンと連動して第２シリンダ内を摺動する第２ピストンと、
   液体を吸入し又は吐出するための第１シリンダ及び第２シリンダ共通の液出入口と、
   前記第１ピストンを駆動する駆動部と、を備えた計量ポンプ。
2. 第２シリンダ及び第２ピストンは第２シリンダよりもさらに内径の大きい第３シリンダ内に収容された第３ピストンの内部に設けられており、
   第３ピストンと第３シリンダとの摩擦力が第２ピストンと第２シリンダとの間の摩擦力よりも大きく設定されていることにより、第３ピストンは、液体吸入時に第２ピストンが上死点に達してさらに吸入方向へ移動するように駆動されたとき及び液体吐出時に第２ピストンが下死点に達してさらに吐出方向へ移動するように駆動されたときに、第２ピストンと係合することによって第２ピストンと連動して第３シリンダ内を摺動する請求項１に記載の計量ポンプ。

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