JP3940170B2 - ポンプ装置 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも２つのシリンダとピストンとを有するポンプユニットを備えたポンプ装置に関する。この装置では、ポンプ流量が調整自在となるように、ピストンの運動を制御するために、カムの形状を倣ったソフトウェアに基づいて動作する偏心ホイールによってピストンが駆動される。ポンプユニットは、装置内のカウンタプレッシャに起因する弊害を生じることなく、連続し、かつ可能な限り一定の流量を送り出すために、重なり合った状態で動作する。
発明の背景
ＨＰＬＣ装置で用いられてきた従来のポンプが有する問題点は、装置内に流量の変動（「流量スパイク」）が生じ得ることであった。これら（正または負の）「スパイク」は、シリンダ内圧力を装置圧力に相当する圧力にまで立ち上げる必要があるから、各ポンプからの送出が遅れることに起因する。圧力立ち上げによる効果は、液体の圧縮性が有限であることと、ポンプ装置の構成要素が本質的に有する弾性に起因する。換言すると、一方のポンプシリンダが「送出終了」したとき、すなわち送出する位相においてピストンがその端部に接近して、流量が降下してゼロに達するとき、他方の取って代わるべきポンプシリンダは、シリンダ内の液体の装置圧力レベルを形成する上記必要性のために、流量を送出し始められるようになるまでに、ある程度の時間を要する。したがって、２つのシリンダが、「吸入開始」と「送出終了」の各々で同期することが望ましく、その結果、この不安定な位相における流量が一定に維持され、さらに、異なる装置圧力レベルに適応して同期することが望ましい。そのため、状況に応じて自在に調整できるカム形状を備えたポンプが必要である。
欧州特許公報００５０２９６Ｂ号は、１つのカムにより往復運動する２つのプランジャを備えた、脈動のない容積測定ポンプを開示しており、このポンプによれば、２つのプランジャの組み合わせにより所定の流量が得られる。このポンプは、１２ｍｓ以下の機械的な時間定数を有するＤＣモータを備え、ポンプ作動中に生じる圧力パルスを検出する手段を備えていることに特徴付けられる。
欧州特許公報０３３４９９４Ａ１号は、１つの駆動モータと、２つのポンプヘッドを駆動するプランジャとを有する往復運動型の流体送出ポンプを開示している。このポンプは、各プランジャに対して１つのカムを有し、回転運動を往復運動に変換する変換機構を有する。カムは、一定速度で回転する共通のカムシャフトに備え付けられている。カムは、プランジャ角速度を決定するカム形状に加工される。
駆動速度は、装置圧力を測定することによって制御され、よって装置内の流量がある程度制御可能となる。
ドイツ特許公報３８３７３２５Ｃ２号は、液体送出プランジャ型のポンプを開示しており、このポンプは主要シリンダと補助シリンダとを有し、ともに共通カムシャフトに備え付けられたカムによって駆動される。
圧力が測定され、測定結果は本質的に一定な流量を提供するために利用される。
ドイツ特許公報４１３０２９５Ａ１号は、別々に駆動されるプランジャポンプを有するポンプ装置を開示している。個々のポンプの速度は、回転速度と回転位置に関する測定データをフィードバックすることにより制御される。ポンプ制御パラメータとして、装置圧力は用いられない。このポンプは粘性のある液体またはペースト用に適しているとされる。
発明の要約
本発明が取り組むべき主要課題は、上述の形式のポンプにおいて、流量の圧縮側に生じるパルスを排除することにあり、そして本発明の目的は、上述の従来のポンプが有していた問題を解決するポンプを提供することにある。
この目的は、クレーム１で限定されるポンプ装置を用いて、クレーム１１で限定された方法によって実現することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、２つのポンプユニットを有するポンプ装置を示すものであり、本発明で用いられるものである。
図２ａは、カム駆動ポンプユニットの流量グラフを示すものである。
図２ｂは、本発明に従って駆動されるポンプの流量グラフを示すものであり、高いカウンタプレッシャにおいて、圧力脈動を補償するところを示している。
図２ｃは、図３で示したものと同じポンプの流量グラフを示すものであり、ここでは圧力状況が高いカウンタプレッシャから低いカウンタプレッシャに戻ったところを示している。
図３は、本発明によるポンプの偏心ホイールを示している。
図４は、いくつかのポンプサイクルにおいて、バルブの切り替え点を示す概略図である。
図５は、ポンプ装置の配線概略図である。
好適な実施例の詳細な説明
図１で、本発明によるポンプ装置が示されており、このポンプ装置は、第１のポンプユニット１ａと第２のポンプユニット１ｂとから構成されており、各ユニットは異なるシリンダ２ａ，２ｂと２ｃ，２ｄを各々有し、各シリンダは１つずつの可動ピストン３ａ，３ｂおよび３ｃ，３ｄを備えている。ピストンはバネ４によって、最長に伸びた位置に向かって付勢されており（すべてのシリンダに関して共通する、この特定な細部およびその他のものにつき、同一の参照番号が付与されている）、このピストンは偏心ホイール１５ａ，１５ｂおよび１５ｃ，１５ｄによって各々駆動されている。各シリンダ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄは、１つの流入口５ａ，５ｂ，５’ａ，５’ｂと、１つの流出口５ｃ，５ｄ，５’ｃ，５’ｄを備え、流出口にはボールバルブ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄがあり、吸入時には流入口が、送出時には流出口が各々開口する。流入口５ａ，５ｂ，５’ａ，５’ｂは、パイプ部７ａ，７ｂ，７’ａ，７’ｂに連結し、各パイプ部は、スイッチバルブ１０の流出口９に連結できるようにＴ型連結部８で結合している。２つの流体ソースＡ，Ｂ，Ａ’，Ｂ’（緩衝剤、酸塩基などの流体）からの２つの供給ライン１１ａ，１１ｂ，１１’ａ，１１’ｂを切り替えるように動作させることができるスイッチバルブ１０は、ソフトウェア（後述する）によって制御される。各シリンダ２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄの流出口５ｃ，５ｄ，５’ｃ，５’ｄは、供給ライン１１ｃ，１１ｄ，１１’ｃ，１１’ｄを介して、Ｔ型連結部１２で結合され、Ｔ型連結部からの流出管１３ａ，１３ｂは、溶液を混合チャンバ１４へ送り出し、２つのポンプユニットからの溶液がここで混合される。
図２では、１つのカムで動作するポンプユニット（２つのピストンＩとIIを有する）による供給量が時間の関数として示されている。明らかに、吸入位相における供給量は相当変化する。同様に図面から分かることであるが、圧力（または送出）位相の大部分において、流量を一定に維持することは可能である。しかし、常に当然に、送出位相の初期段階において圧力立上げ期間が生じ、ポンプが再び吸入位相に戻る前に各位相の終了段階で圧力降下が生じる（流量は必ずゼロとなる状態を経過しなければならない）。図示した例では、圧力レベルが通常の圧力レベルに至るまで加算するので、各ポンプが「送出位相に入る時」および「送出位相から出る時」も、圧力は一定に維持される。これは、ポンプＩの流出位相にポンプIIの送出位相を重ね合わせることによって実現できる。しかし、所定のカム形状にしたときだけ、あるポンプ装置について適正に機能する。
図２ｂの上の方にあるのは、所定のカム形状に関して、流量が装置圧力とともに変化する様子を図示している。したがって、脈動のない流量を得ようとするならば、装置内のカウンタプレッシャを相殺するために、加圧位相の始点、すなわち送出位相の開始点を変更できるようにする必要がある。これは、カム形状を変更する必要があるということを意味する。具体的なカムディスク材料を加工して得られたカム形状を有するカムディスクを用いた場合、この問題を機械的に解決するのは極めて困難である。
本発明によるポンプのピストンは、カムディスクで駆動する代わりに、偏心部材により駆動され、この偏心部材はカム形状に対応するソフトウェアによって制御される。偏心部材の構成および特徴について以下詳述する。
本発明によれば、ソフトウェア制御の偏心ホイールは、次のように駆動される。図２ｂで示したように、符号Ｉで指定されたポンプの第１吸入位相、（すなわち図中の２番目の吸入位相）は、前回の吸入位相と比べて時間的に少しだけ早く完了していることを示し、この吸入位相に続く送出位相が幾分早く始まるようにする。シリンダは所定の一定容積を有しているので、吸入位相の面積は当然に一定であるということを認識することは重要である。
図３においては、偏心車軸１６とボールベアリング１７（断面図にて図示）とからなる装置が図示されており、この装置は図１における偏心ホイール１５ａ，１５ｂを構成し、上記車軸１６の偏心部分１８に取り付けてあるボールベアリングの周方向の面１９は、図１で示すように、各ピストンの後部を支持する。車軸１６がステッパモータ（ステッピングモータ）２２によって回転するとき（図５参照）、車軸の偏心運動が、ピストン内のバネの作用と相侯って、ピストンに往復運動を与える。
偏心ホイールは、ソフトウェアに形状が組み込まれているカムディスクの形状を倣うように駆動される。このカム形状はテーブルで設定され（以下で詳述する）、このテーブルは、装置圧力測定値によって連続的に更新される。圧力は、好適な実施例では、混合チャンバに入る前のところで、メンブレンに取り付けられた圧力ゲージによって測定される。
偏心ホイールはステッパモータによって駆動され、例えば、このステッパモータは、ここで用いられた実施例の出力用シャフトが１回転する間に、２００フルステップ移動する。各フルステップはさらに、８つの追加的な（サブ）ステップに分割することができる。１対４の伝達比が用いられると、ステッパモータは、偏心車軸の１回転に対して合計８００のフルステップ、すなわち６４００のサブステップだけ移動する。こうして、６４００の入力を有するテーブルを設定することができ、各入力は時間値に対応している。これら時間値は、ステッパモータを１つのサブステップだけ駆動させるパルス同士の時間間隔を規定するものである。
こうして、単にステッパモータをこのようなテーブルに基づいて駆動させることにより、偏心ホイールにより駆動されるピストンの変位量は、極めて正確に制御することができ、これらの時間間隔はカム形状の輪郭を規定するように選択される。
偏心ホイール以外の他の駆動手段を用いることは、当然、想像に難くなく、本発明の範囲内のものである。各ピストンを駆動する線形変位量を制御できるマイクロメータ型のデバイスを用いることができる。しかし、機械的な丈夫さという点でより優れているので、好適な実施例では偏心ホイールを用いる。
図３で示したように、ポンプ装置は、２つのプロセッサ、従プロセッサ２０と主プロセッサ２１とを有している。従プロセッサ２０は、現行テーブル（任意の所定時間に固定されたテーブル）に基づいて動作し、ステッパモータ、偏心ホイール１５ａ，１５ｂおよびポンプ制御する。主プロセッサ２１は、Ｐ点で測定された装置圧力の測定値に対応して、「マスター」テーブルを継続的に更新する。従プロセッサは、「マスターテーブル」を更新するために、主プロセッサと継続的に情報交換し、そうすることにより現行テーブルを更新する。
すでに述べ、説明してきたように、混合チャンバにおける円滑な混合を得るためには、理想的には、ポンプから出る流量が、時間の関数として一直線上に対応していることが必要である。
そのような条件に近似させるための１つの解決策は、図２ａで示したように、２つのポンプの送出位相を重ね合わせることである。しかし、この方法ではまだ、流量に脈動が生じ、例えばＨＰＬＣやＦＰＬＣで必要とされる正確さの継続性には不充分である。
本発明のポンプ装置は、ダブルピストン型ポンプを用いており、各々のピストンが各溶液に対応している。その理由は当然であって、もしシングルピストン型のポンプを用いたならば、ポンプ動作は吸入位相と送出位相に分割されて、吸入時においては全く送り出されないので、流量は明らかに不連続なものとなる。そこで、２つのピストンを有するポンプは、各ピストンの送出位相が重なり合うように駆動される。ポンプは各バルブと混合チャンバとの間に配置され、ポンプから送り出された溶液は混ざり合って最終混合物を生じる。
さらに、偏心ホイールによって駆動されるシングルピストン型ポンプは、一定速度で回転するとき、正弦曲線的に変化する流量を送り出し、たとえ各ポンプシリンダの位相が重なり合っても、ピストン運動が制御されていなければ、送出量に脈動が生じることになる。
Ｂ．テーブル
上述のように、偏心ホイールの運動を制御するテーブルは、６４００の値を有する。従プロセッサは、このテーブルから値を読み出し、上記テーブル値によって設定された時間間隔でステッパモータにパルスを供給する。こうして、この値が小さければ、ステッパモータは高速で回転し、大きければ低速回転する。
ポンプ装置は、水を媒体とし、カウンタプレッシャをゼロとした条件で計算したデフォルトテーブルを有している。
テーブルは、圧力測定結果に対応して更新される。圧力勾配が正、つまり圧力が増加した場合、（例えば、液体の圧縮性がデフォルト（例えば水）のそれよりも低いことにより）ステッパモータが過大な速度で回転しているということを意味する。つまり、テーブル値があまりに小さいと、パルスがあまりにも速い速度でモータに供給される。したがって、主プロセッサは、不正確な速度をもたらすテーブルの部分に対応する値を再計算する。当然のことながら、テーブル全体を再計算することもできる。
新しいテーブルが計算されると、主プロセッサは、従プロセッサに交換命令とともに新しいテーブルを送信する。そこで、従プロセッサは、現行のテーブルを放棄して、最新テーブルに対応して動作し始める。
この処理は、圧力の脈動が全くあるいは少なくとも実質的でない程度になるという意味で、十分にポンプを制御するようなテーブルが得られるまで、動作開始時、少なくとも２，３回のポンプサイクルに亙って、繰り返して行われる。微小な変化を調整するために、ポンプ回転中はずっとこのフィードバック機能を動作状態にしておく。
Ｃ．バルブアルゴリズム
混合の第１段階において、２つの異なる液体（溶液）がバルブの中へ吸入される。このバルブは、吸入位相において、第１溶液（Ａ）の供給ラインから、他の溶液（Ｂ）用の供給ラインへと切り替え、よってポンプを介して混合チャンバへ供給されるこれら２つの溶液量の間に、ある関係を形成する（なお、混合チャンバはポンプの前に配置してもよい）。もちろん、原理的には、各供給ラインに１つずつのバルブを設けることが可能であり、このバルブは開口位置と閉口位置との間で切り替えることができる。ただし、開閉動作のタイミングは、シングルバルブを用いた場合より複雑になる。
圧力勾配を低く制御しようとした最初に試みは、基準容積として全吸入ストロークを利用していた。吸入ストロークの第１位相において、混合物に所望されるＡの部分に対応して、液体Ａが吸入され、この吸入ストローク中のある時間点でバルブが切り替えられた時、Ｂ部分の所定容積量に対応して、液体Ｂが吸入され始めた。次の吸入位相が始まった時には、適当な量の液体Ａが再び吸入された。以下同様である。このアルゴリズムは、かなりうまく機能するが、好ましからざる圧力依存性を有する。これはおそらく、吸入過程が理想的でなく、圧力等により影響を受けるということに起因する。また、基準容積として吸入容積全体を用いると、所定の混合物に関して、切り替え点が常に同じ点で生じるが、これによりシステム上の誤差が生じる。
これらの問題を解消するために、アルゴリズムは、位相中は常にＡを吸入した後にＢを吸入するのではなくて、各吸入位相における順序を、ＡＢ，ＢＡ，ＡＢといった具合に交互に行うように変更されている。このように変えることにより、圧力特性は改善されたが、逆に、装置の脈動、すなわち出力勾配は増加した。脈動が増加したのは、おそらく、アルゴリズムによって、各ストロークの間で吸入される各液体の容積を２倍にする（次のＡの前にＢの２倍量、等々）という事実に起因するものである。
本発明によるさらなる改良点は、バルブスイッチを先に詳述したようにすることであるが、例外があって、それはバルブ切り替えをシリンダ容積に亙って周期的なものとせず、すなわち基準容積を吸入容積としない点にある。この方法によれば、結果として、基準容積が正しく選択された場合、常に基準容積が吸入位相の始まりと終わりに対して位相がずれることになる。つまり、吸入位相は、基準容積内の任意の点から始めることができる。
この方法の利点は、先に詳述したようにスイッチの切り替えを行う場合に生じるシステム上の誤差が、バルブの切り替え時点での位置が無作為となるため、本質的に排除される。
さらなる重要な態様は、各液体Ａ，Ｂの量が吸入位相における積分によって決定されるということである。先行技術によれば、単に、バルブの切り替え点を決定するために時間制御による容積計算が用いられていた。よって、バルブスイッチは、ポンプに対して完全に非同期であり、各溶液の比率に相当する時間割合でバルブが開口する。この原則が成立するためには、ポンプから出る各混合量に対して、バルブが多くのストロークまたは切り替えを行うことが必要となる。その理由は、バルブの切り替え時間よりもはるかに長い時間に亙ってポンプ駆動した時に限って、正確な濃度の溶液を送り出すからである。
本発明によれば、極めて小さな増加量を極めて正確に微少量づつ動作するステッパモータにより、プロセッサを用いて所望する容積を調整し、それに応じてバルブの切り替えを行うことは、当業者にとっては簡単なことである。実行するにはより複雑となるが、ＤＣモータを用いてもそのような調整を行うことができる。
ポンプのダイナミックレンジが大きい場合、全流量領域に亙って同一の基準容積を用いるのは適当ではない。例えば、極めて速い流量に対して小さい基準容積が用いられた場合、バルブは非常に速い速度で切り替わり、極めて早期に摩滅してしまう。これは、基準容積を徐々に増やすことによって解決され、よって流量を増やすことができる。これは、流速が速い場合は、基準容積が比較的大きくするということを意味する。というのも、最大の関心事は、動作可能な最も大きい基準容積を決定して、その結果、アルゴリズムによりどの程度追加的に調節する必要性があるかを決定できるからである。例えば、スイッチ切り替え時間を考慮して調節することもできる。しかし、そのような調節は本発明の態様ではない。
デフォルト値として、基準容積を吸入容積の０．７５倍に設定した。これは、基準容積が吸入位相の３位相で（４×０．７５＝３）「追いつく」ことを意味している。基準容積の増加分は、吸入容積の０．５倍に設定される。基準容積の４倍が、吸入容積のＮ倍となるように、この吸入容積を選択した（Ｎは整数）。
基準容積は次のように計算される。
流量が５．５ｍｌ／分より小さい場合：
基準容積（ＲＶ）＝吸入容積（ＳＶ）の０．７５倍
流量が５．５ｍｌ／分より大きい場合：
ＲＶ＝｛Ｉｎｔ［流量（ｍｌ／分）−５．５ｍｌ／分］／３．７＋１｝×０．５ＳＶ＋０．７５ＳＶ
［Ｉｎｔ（３／２）＝１；Ｉｎｔ（１／２）＝０など、Ｉｎｔは流速の整数部分を意味する。］
具体例
図４では、バルブアルゴリズムがどのように動作するのか、概略的に示すものである。
図において、水平方向の「ゼロ」軸以下の部分の面積は各々、ピストン１回分のストロークの容積、すなわち１回の吸入量（ＳＶ）を意味する。ここに挙げた例では、この容積は０．２８６ｍｌである。
流速が５ｍｌ／分であるとする場合、基準容積は０．７５×０．２８６ｍｌ＝０．２１５ｍｌとなる。垂直方向の太線ＲＶ１に至るまでの面積は、基準容積（ＲＶ）と等量の吸入容積部分を示している。ＲＶ１は、最初に基準容積が達した点をマークしている。
所望する混合比Ａ：Ｂを２：３とする場合、最初のバルブ切り替え点で（ＳＰ１での垂直ライン）、ここで溶液Ｂを吸入し始めるが、シリンダ内に０．０８５８ｍｌ（２／５×０．２１５ｍｌ）の溶液Ａが、すでに吸入されているはずである。ＳＰ１において、バルブを溶液Ｂに切り替える。その後、ＲＶ１の特点で、バルブが切り替わり、ＲＶ１は第２番目の切り替え点ＳＰ２と同一点であり、ここで再び溶液Ａを吸入し始める。さらに、溶液Ａの部分（０．０８５８ｍｌ）を吸入した時、ＳＰ３でバルブは再び切り替わり、以下同様にして、３つの吸入位相がちょうど終わった後に、基準容積となる。上述したように、切り替え点を見出すために、吸入中の容積を積分する手段が備わっている。
当業者によれば、添付クレームによってもたらされる発明概念の範疇に入る多くの変更および変形が実施可能である。

Claims (2)

1. 安定した流量を供給し維持するポンプ装置であって、第１と第２のポンプユニットを備え、各ポンプユニットは、
   ｉ）滑動自在に配置されたピストン（３ａ，３ｂ）を有する２のシリンダ（２ａ，２ｂ）と、
   ii）シリンダ内のピストンを個別に運動させるための運動手段（１５ａ，１５ｂ；１７，１９）と、
   iii）ピストンを運動させるための各運動手段を個々に運動させるためのステッパモータ手段（２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ）と、
   iv）装置内の圧縮側の圧力値を示す測定データに対応して、ピストンの運動速度を動的に変化させる制御ユニット（２１，２２）と、
   v）各シリンダと流体連通するように接続され、所定の混合比に基づいて第１および第２の溶液を比例混合するために、第１および第２の流体源との流体連通を交互に切り換えるように制御ユニットにより制御されたバルブ手段（１０）とを備え、
   制御ユニットは、各ピストンに流れる流量を積分する積分手段を有し、
   基準容積（ＲＶ）は、各ピストンの吸入容積（ＳＶ）の非整数倍に相当し、所定の混合比に基づいて比例混合された第１および第２の溶液の第１および第２の容積からなり、
   制御ユニットは、積分値が第１の溶液の第１の容量に達したとき、第２の流体源と流体連通するようにバルブ手段を切り換え、積分値が基準容積（ＲＶ）に達したとき、第１の流体源と流体連通するようにバルブ手段を切り換える手段をさらに有することを特徴とするポンプ装置。
2. 請求項１に記載のポンプ装置であって、
   基準容積は、ポンプ装置の流量増加に従って、より大きな値に設定されることを特徴とするポンプ装置。

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