JP4142163B2 - 液体の混合のためのポンプ搬送方法及び系 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、良好に制御された配量及び流量と共に種々の液体を混合することを許容するポンプ搬送方法及びその系に関する。
【0002】
より特別には、本発明は、混合されるべきそれぞれの液体を入れた各容器をオン/オフ型弁によって周期的にポンプの入口と連通させることにより、いくつかの液体を定められた配量のもとに混合するためのポンプ搬送系に関する。
【0003】
このような良好に制御された配量と流量とを実現するポンプ搬送系は、多くの分野、中でもクロマトグラフィー系において使用することができる。
【0004】
【従来の技術】
種々の型のポンプを液体混合物の循環のために使用することができる。一般に例えば、2つのポンプ搬送ユニットPU1、PU2(図1)を連結した往復動ポンプは良く知られている。それらのそれぞれは、吸込期の間に開放される一方向弁4により液体Lの出口T1のための第1のT字管からやって来る入口ライン3と連通するシリンダ2の中でスライドされるピストン1を含む。ユニットPU1もPU2も、出口ライン5及び排出期の間に開放される弁6によって第2の出口T字管T2と連通する。これら2つのポンプ搬送ユニットは、一方のポンプの吸込期がもう一方の排出期に相当するように位相がずらされている。
【0005】
ストロークの終端においてそれぞれの速度は減少し、従ってそれにより排出される流れも同様である。もしこれら2つのユニットPU1、PU2の総合的排出量を実質的に一定に保つべき場合には、それら2つのピストン1の各速度の合計が一定に保たれる必要があり、また従って、もう一方のユニットの排出期は最初のもののそれが終了する前に開始される必要がある。それら2つのユニットから同時に排出されるような周期部分の間においてはその吸込速度はもちろんゼロである。
【0006】
ある1つのポンプの入口を、例えばソレノイド弁や空気作動式弁によって、各混合されるべき液体を入れたいくつかの容器に連結することにより混合を行なうことは良く知られている。例えば図2に図式的に示されているように、例えば容器R1、R2、・・・Rnからやって来るいくつかの液体の混合は、例えば本出願人により出願されたフランス国特許FR2,726,332(米国特許US5,755,561)に記述されているポンプのような、1つ以上のヘッドと、一定容量又は脈動的容量のピストン式又はダイヤフラム式ポンプとを含むことのできる良く知られた型の配量ポンプPの入口に配置されたオン/オフ型ソレノイド弁EV1、EV2・・・EVnによってヘッドHの中で行なわれる。それらソレノイド弁は、周期的な切り換えとともに、そして正確な配量を得るために制御用プロセッサーPCにより制御されて、所望の液体混合物の%割合を決定するフォームファクタに従って順次開放される。
【0007】
オン/オフ型弁による交互吸込によって液体を混合するのは、これがただ1つのポンプ(市販で入手できる全ての型より選ばれる)、比較的安価な要素の組立物及び比較的単純な弁制御手段しか必要としないために経済的な方法である。他方においてこの方法の欠点は、これが著しい配量変動及び相当なポンプ搬送流量の変化をもたらすと言うことである。これは主としてそのものの作動原理によるものである。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
良好な混合の精度を得るためには、それらソレノイド弁の迅速な切り換えが必要である。最大排出量において60rpmを有する回転カムポンプを用いる次のような実際の場合、すなわち、ソレノイド弁の切り換えサイクルが例えば5秒間継続するような実際の場合に、そしてもしその混合物A+B+Cの中に1%の液体Aが含まれるような混合物を得るべき場合には、そのAの流れを制御するソレノイド弁(例えばEV1)の開放時間は50msでなければならない。もし1%の精度を想定する場合は、その切換時間、すなわちO(開放)+F(閉鎖)の累積時間は5msよりも小さくなければならず、すなわち各切換前縁当り<2.5msでなければならない。この精度を保証するためには通常、切換時間が最大で1ないし2msのオーダーであるようなソレノイド弁を使用する必要がある。
【0009】
このような作動条件のもとで、それら流量は吸込管内での1秒間当り数メートルに達し得るような液体速度をもたらす。
【0010】
Aの流れを制御する弁(EV1)の迅速な閉鎖は、その中で、例えば2m/秒において流れている液体柱の急激な停止をもたらし、これがある過剰圧力に導いてこれがその閉鎖を遅延させ、そして混合物の中の成分の所望の%割合を変化させてしまう。
【0011】
例えばソレノイド弁EV1が閉鎖されるときにソレノイド弁EV2は開放される。このソレノイド弁EV2が同時的に開放しているときに、容器R2からの吸込管の中に含まれている、それまで動いていなかった液体柱は1msのオーダーの時間内に容器R1からの液体柱と同じ速度(2m/秒)にならなければならない。充分な加速のために必要な圧力が大気圧よりも著しく高いことは容易に判断できる。これが不可能であるので、そのポンプ搬送された液体の中に不可避的に著しいキャビテーションが存在し、そして従って相当な割合の流量の誤差がそのポンプ搬送系において存在する。その結果、この液体混合過程を用いるポンプは一般に、脈動する吸込流量を有する。その再発現がこのソレノイド弁混合系の再発現と決して同期しないので、得られる混合物の周期的な配量変化とともにある待ち時間現象が存在する。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明に従うポンプ搬送方法は、種々の成分のそれぞれの正確な配量と共にそれら成分を入れたそれぞれの容器をそれぞれの弁によってあるポンプの入口と周期的に連通させることにより、種々の成分の混合を達成することを許容する。これは、それら弁の開閉によって引き起こされる各成分の速度の周期的変動を緩衝するための手段の使用を含むことを特徴とする。例えば、内容積が上記周期的な速度変動に関連して変化する変形可能な容積体を緩衝手段として使用することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
好ましい具体例の1つによれば、そのポンプの入口はある成分混合室と連通しており、その際この混合室はそれら弁と上記緩衝手段とを介して各容器に連結される。
【0014】
この方法は、例えば、その混合室の上流に配置された、それぞれが一方の側面に一定の圧力を受け、そしてその反対の側面にある1つの成分の圧力を受けるような変形可能な壁要素を備えたいくつかの予備の室を用いることを含む。
【0015】
本発明に従うこの多成分ポンプ搬送系は、そのポンプの入口を混合されるべき各成分を入れたそれぞれの容器と周期的に連通させるためのそれぞれの弁及びポンプを含む。これは、それら弁の開閉による各成分の速度の周期的変化を緩衝する手段が含まれていることを特徴とする。
【0016】
このポンプ搬送系は、好ましくは、そのポンプの入口と連通し、かつそれら弁によってその緩衝手段と間欠的に連通する混合室を含む。
【0017】
好ましい具体例の1つによれば、この緩衝手段は、その混合室の上流に置かれたいくつかの予備の室を含み、その際これらの室のそれぞれには、一方の側面に一定の圧力を受け、そしてその反対側の側面にある1つの成分の圧力を受けるような変形可能な壁要素が設けられている。
【0018】
特別な具体例の1つによれば、各予備室の中の変形可能な壁要素は、外側へ開放しているベローの壁である。
【0019】
それら予備の室及び混合室は、例えば同一の剛的な構造体の中の室である。
【0020】
具体例の1つによればこの系は、その混合室の中の混合物を攪拌する手段、モータ及びこのモータを攪拌手段に結合するある(例えば電磁式の)結合手段を含む。
【0021】
好ましい具体例の1つによれば、ポンプの入口が成分混合室と連通しており、その際この混合室は各弁と記緩衝手段とを介して各容器に連結される。
【0022】
可変容積の混合室を使用することができ、その際この系は、この室の容積をポンプ搬送流によって変化させるための手段と、及びそれら混合されるべき各成分の静圧をバランスさせるための手段とを含む。
【0023】
各成分の速度変化の緩衝のための手段はまた、可変容積の補償用室及び各補償用室の容積を各成分の速度に影響を与える少なくとも1つのパラメータに従って変化させるためのプロセッサーをも含むことができる。
【0024】
各弁は好ましくは、オン/オフ型のソレノイド弁であり、その際この系は、それらのソレノイド弁のそれぞれを制御するための信号を作り出すプロセッサーを含む。
【0025】
そのポンプは好ましくは、入口のところに流量制御のための手段を含む。これは、例えば位相のずれた往復動ピストンを有する2つのポンプ搬送ユニットを含み、その際それらのそれぞれは吸込期の間においてその混合室と連通し、その際これらのピストンはあるプロセッサーと組み合わされた駆動用手段により制御される。このポンプは好ましくは、往復動ピストンを有する第3のポンプ搬送ユニットを含み、その際その制御手段は吸込期の間にそれら3つのピストンのそれぞれの速度の合計を一定に維持するのに適している。
【0026】
【実施例】
本発明に従う方法及び装置の他の種々の特徴及び諸利点は、以下に添付の図面を参照してあげる非制限的な具体例の記述より明らかとなるであろう。
【0027】
本発明に従うポンプ搬送系(図3)は、ポンプPの上流に配置されたn個の成分を混合するための装置MXを含む。以下に記述する例においてこの数nは簡単のために2に限定される。
混合装置
混合装置MX(図3)は、好ましくは単一構造体7の中の、混合室9の上流に配置されたn個(ここではnは2である)の予備室8A、8Bを含む。各予備室と混合室9との間の連通はそれぞれ、オン/オフ型の各ソレノイド弁EVA(開放位置で示されている)及びEVB(閉鎖位置で示されている)により間欠的に行なわれる。それら2つの予備室8A、8Bは、それら混合されるべき液体成分を入れた各容器RA、RBにライン10A、10Bによって永久的に連通している。
【0028】
各予備室8A、8Bは、容積が上記周期的な速度変化と関連して変化するような、ここでは膨張可能な容積体よりなる、各ソレノイド弁EV1、EV2の間欠的開閉の結果としてのその液体によりもたらされる加速及び減速を緩衝するための手段11A、11Bを含む。例えば、外表面が各予備室内の液体と接触しており、そして内部が構造体7の外側に連通しているベローを使用することができる。
【0029】
混合室の中に回転可能な翼12のような均質混合手段が配置されている。好ましくは磁化されたブレードが用いられて磁石14の取り付けられた回転円盤13によって混合室9の外部から無接触で回転駆動され、その際上記円盤はモータ15に連結されている。
【0030】
各予備室の中にこれらベローが存在することは各成分の急激な流量変動の望ましくない影響を著しく低下させる作用を有する。例えば、予備室8Bの中の対応するソレノイド弁EVBの閉鎖によりもたらされる圧力上昇は、ベロー11Bの収縮によって自動的に均衡化される。逆に、例えば、予備室8Aの中での対応するソレノイド弁EVAの開放によりもたらされる圧力低下はベロー11Aの膨張によって自動的に均衡化される。
【0031】
この緩衝手段が混合室にできるだけ近接して配置されている場合に、運転の調整が更に改善される。緩衝手段11A、11Bとしてのこの弾性的に変形し得る容積体を各ソレノイド弁の上流においてできるだけ近接させ、しかもこれらソレノイド弁をポンプP又は混合室9にできるだけ近接させて配置することによって、これらソレノイド弁が開放されたときに排出される液体の量が減少する。この弾性的容積体は、加速を吸収してそれにより、そのポンプ搬送される液体の中にキャビテーションを生じさせることなく、しかもそれらソレノイド弁の開閉時間を変動させないようにその生じた負圧が充分に低くなるように計算される必要がある。
【0032】
多くの種々異なったポンプPの上流側に、前の混合装置を、これらが正しい吸込容量を有しているかどうかにかかわらず配置することができるけれども、好ましくは以下に記述するポンプ搬送装置よりも上流に配置するのがよい。
ポンプ搬送装置
本発明に従うポンプ搬送装置は、それぞれ液体混合物の吸込期と排出期とを有するいくつかの往復動ポンプ搬送ユニットを含む。
【0033】
前述したフランス国特許FR2,726,332(米国特許US5,755,561)に記述されているように、各ポンプ搬送モジュールは、(図4及び5)ポンプケーシング2の内側空洞内に部分的に係合しているピストンを形成するロッド1を含む。ロッド1にはヘッド16が設けられている。このヘッドとケーシングの末端との間にばね17が配置されていて、ピストンに永久的な抜出し力を加えている。その反対側の端において本体2の内側空洞eは、例えば、ロッド1が後方へ動いた時にその吸込期の間において開放するボール逆止弁のような一方向弁19A及び排出期の間において開放するもう1つの類似の弁19Bの設けられたライン18に連通している。
【0034】
第1の具体例(図4)によれば、ケーシング2の中でのロッド1の降下はスラストボール21によってヘッド16の上に支持されている無端のねじ20の並進によって提供される。このねじ並進手段は、例えばねじ20に合致したナット22を含み、これは例えば定置の電気モータ23の中空ロータの中に収容されていてそれにより回転駆動される。このねじの並進の方向は各ポンプ作動半周期におけるモータ回転方向の反転によって変えられる。
【0035】
第2の具体例(図5)によれば、ケーシング2の中でのロッド1の降下はヘッド16に支持されているカム24の回転によってもたらされるが、その軸25はモータ26により回転駆動される。ケーシング2の内部空洞の中でのロッド1の降下は、カムのカム軸についての変位Δを変化させることによって得られる。モータ26は制御プロセッサーPCにより駆動される。
【0036】
本発明に従うポンプ搬送装置は、図1のよく知られた具体例に対してその入口側及び排出側において一定の流量が得られるように改善されている。
【0037】
この結果は、前のものと類似の第3の往復動ポンプ搬送ユニットPU3を使用する(図6)ことにより得られる。この第3のユニットPU3は、ライン27により混合装置MXの出口に永久的に連通している。各ユニットPU1及びPU2には、第3ユニットPU3より排出された液体が一方向弁28を通して供給される。これらの容積の液体が、それら2つのユニットPU1、PU2から前と同様に排出用T字管29の方向へ一方向弁30を通して排出される。
【0038】
ポンプ入口においても求められるこの望ましい流量調整は第3ユニットPU3の中のピストン1の変位速度及びこのものの、各ユニットPU1、PU2の各ピストンと関連する位相のシフトを調節してそれら3つのピストンの速度の合計が吸込期の間中一定となるようにすることにより達成される。
【0039】
この混合装置と、そのようにして調節されたポンプとの上述した組み合わせとともに、それら種々の液体を配量する各ソレノイド弁のための制御信号のフォームファクタが所望の混合物に従って変化する場合に、混合物の得られる配量及び流量の精度は図7より明らかなように優れている。これは、各ソレノイド弁を制御する信号のフォームファクタがどのようであっても、混合物の流量にも当てはまり、そしてこれは再現性を有する。
【0040】
図7は本発明に従う混合装置の2つのソレノイド弁のそれぞれの開放時間がそれら開放時間の合計を一定にするように変化する場合の、混合物の液体成分の1つと混合される物質の配量割合の変化が20mnの時間間隔の間に完全な直線性であることを示す。
【0041】
ある特定の用途に適している図8の具体例によれば、ある混合物の入っている容器REに連結された隣接通路32の間欠的な連結を許容するインゼクタ31が混合装置MXとポンプPとの間に回路27の上で間挿されている。このインゼクタは、同様にコンピュータPCにより制御されるソレノイド弁EVCを含む。例えば、ボール/スプリング型の一方向逆止弁33が回路27の上で間挿されている。隣接通路32を通しての上記混合物の注入期間において混合装置MXの各弁EVA、EVBは閉じたままに保たれており、そしてソレノイド弁EVCが開放されている。逆止弁33が注入された混合物の混合装置MXの方向への拡散を防止する。装置MXからの混合物のための吸込操作が再開された時に、その混合された各成分のあらかじめ定められたそれぞれの比率がそのようにして、なんらの追随効果を表わすことなく保証される。
【0042】
本発明の技術的範囲より逸脱することなく他の種々の具体例を用いることができる:
a) 例えば、その容積がポンプ搬送された流れに従い調節されるような可変容積の混合室を使用することができる。
b) 各ベローの、予備室8A、8Bに対して外側の面に、一定ではあるけれども混合装置MXの中に入れられる混合成分の圧力に従って調節可能な逆圧が印加されるのを許容する周知の型の手段を用いることもできる。
c) 成分速度の変動を、それら予備室8A、8Bの中でのその生ずる圧力の相殺によって正常化する好ましい具体例の1つを記述した。しかしなから、他の種々の制御手段を使用することもできる。例えば、各ベローを次のような可変容積の補償用室、すなわち各成分の速度に影響を与える少なくとも1つのパラメータに従って各補償用室の容積を変化させるようにプログラムされたコンピュータによりもっぱら容積が調節されるような可変容積の補償用室によって置き換えることができる。このコンピュータは、例えば各成分に加えられる加速度があるあらかじめ定められた変化パターンに従うようにプログラムされていることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来の、脈動化された吸込容量を有する2つの往復動ポンプ搬送ユニットを有するポンプの配置を図式的に示す図である。
【図2】従来の、混合ヘッドを用いていくつかの成分を混合する型のポンプ搬送系を図式的に示す図である。
【図3】本発明に従う混合装置の好ましい具体例の1つを模式的に示す断面図である。
【図4】往復動ボンプを駆動する1つの態様を示す図である。
【図5】往復動ボンプを駆動する他の態様を示す図である。
【図6】本発明に従うポンプと図3の混合装置との、入口及び排出端における制御された流量を得るための組み合わせを図式的に示す図である。
【図7】本発明の混合装置の2つのソレノイド弁の開放時間の合計が一定になるようにして両弁の開放時間を変えた場合の、混合物中の一成分中に含まれた物質の配量割合が完全に直線的に変化することを示す図である。
【図8】図3の具体例において混合物をポンプへ注入するためのブロックをさらに含む変形態様を示す図である。
【符号の説明】
1 ピストン (ロッド)
2 シリンダ (ケーシング)
3 入口ライン
4 一方向弁
5 出口ライン
6 弁
7 単一構造体
8A、8B 予備室
9 混合室
10A、10B ライン
11A、11B 緩衝手段
12 回転翼
13 回転円盤
14 磁石
15 モータ
16 ヘッド
17 スプリング
18 ライン
19A、19B 一方向弁
20 ねじ
21 スラストボール
22 ナット
23 定置電気モータ
24 カム
25 軸
26 モータ
27 ライン (回路)
28 一方向弁
29 排出T字管
30 一方向弁
31 インゼクタ
32 隣接通路
33 逆止弁
MX 混合装置
EVA、EVB、EVC ソレノイド弁
P ポンプ
PC 制御プロセッサー
PU1、PU2、PU3 ポンプ搬送ユニット
W 壁要素
RA、RB、RE 容器
Claims (11)
- 混合室(9)と、
該混合室(9)と連通している入口を有するポンプ(P)と、
各混合されるべき液体成分を入れているそれぞれの容器(RA、RB)と、
前記ポンプの入口が各混合されるべき液体成分を入れているそれぞれの容器(RA、RB)と周期的に連通するのを許容するそれぞれの弁(EVA、EVB)とを含む、いくつかの液体成分をそれぞれ正確に配量しながら混合するようにしたポンプ搬送系において、
前記混合室(9)と液体で連通している各予備室(8A、8B)と、
該予備室(8A、8B)及び前記混合室(9)を含む単一の剛的構造体(7)と、
前記弁の開閉によりもたらされる各液体成分の周期的な速度変化を緩衝するベロー(11A、11B)とを備え、
前記ベローは、前記予備室の中に置かれ、かつ、前記容器(RA、RB)と前記混合室(9)との間に配置され、
前記ベローには、一方の壁面に一定の圧力を受け、その反対側の壁面に1つの成分の圧力を受ける変形可能な壁要素(W)が設けられていることを特徴とする、ポンプ搬送系。 - 混合室(9)の中の混合物を攪拌する攪拌手段(12)と、モータ(15)と、該モータに連結されて前記攪拌手段を駆動する駆動手段(13、14)とを備える、請求項1に記載のポンプ搬送系。
- 前記駆動手段が電磁式手段である、請求項2に記載のポンプ搬送系。
- 各弁(EVA、EVB)がオン/オフ型ソレノイド弁であり、
前記ポンプ搬送系は、前記ソレノイド弁を駆動するそれぞれの信号を作り出すための制御手段(PC)を備える、請求項1から3のいずれか1項に記載のポンプ搬送系。 - ポンプ(P)が、入口のところに流量制御手段を備える、請求項1から4のいずれか1項に記載のポンプ搬送系。
- ポンプ(P)が、位相のずれた2つのポンプ搬送ユニット(PU1、PU2)を備え、
該各ポンプ搬送ユニットは、
それぞれ吸込期と排出期とを有して、吸込期において混合室(9)に連通する各往復動ピストンと、
前記2つの往復動ピストンのそれぞれの速度の合計を一定に維持するのに適したプロセッサー(PC)に組み合わされた、前記位相のずれた2つのポンプ搬送ユニットの各作動手段(20ないし26)とを有している、請求項1から4のいずれか1項に記載のポンプ搬送系。 - 往復動ピストンを有する第3のポンプ搬送ユニット(PU3)を備え、
前記各作動手段(20ないし26)が、ポンプの吸込流量を一定に維持するように前記3つの往復動ピストンの速度の合計を一定に保つのに適したプロセッサー(PC)と組み合わされている、請求項6に記載のポンプ搬送系。 - 混合室(9)が可変の容積を有し、
前記ポンプ搬送系は、ポンプ搬送された流れに従って前記混合室の容積を変化させるための、可動のピストンのような手段を備える、請求項1から7のいずれか1項に記載のポンプ搬送系。 - 前記混合されるべき液体成分の静圧を均衡化させる手段を備える、請求項1から7のいずれか1項に記載のポンプ搬送系。
- 各成分の速度変化を緩衝する手段が、可変容積の補償用室と、該補償用室の容積を各成分の速度に影響を与える少なくとも1つのパラメータに従って変化させるためのプロセッサー(PC)とを備える、請求項1に記載のポンプ搬送系。
- ポンプ(P)の中へもう1つの混合物を間欠的に注入するための手段(31ないし33)を備える、請求項1から10のいずれか1項に記載のポンプ搬送系。
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