JP4936127B2 - ポンプシステム - Google Patents

Description

本発明は、流路内の流体を駆動するポンプと、前記流路内における前記流体の圧力変動を抑制する圧力変動抑制手段と、を備えるポンプシステムに関する。

例えば、液体クロマトグラフで用いる送液装置では、分析精度を向上させるために送液流量を一定に保つ必要がある。このため、送液を行うためのポンプの脈流に起因する圧力変動を抑制するために、ダンパが使用される場合がある。流路にダンパを挿入することで、脈流による圧力変動を減衰させることが可能となる。
特開平７−８３４００号公報

しかし、ダンパ内部の圧力を予め設定した圧力まで増加させるためには、ダンパ内の溶液量の増加によってダンパのばね成分が圧縮されたときに生じる力と、設定圧力による力が釣り合う定常状態までダンパ内部に溶液を導入する必要がある。そのため、高圧力下での微量送液を行う際には、時間当たりの送液量が微量となるために、設定した圧力および流量に至るまで長時間を要する。

また逆に、ダンパ内部に溶液が溜まっており、ダンパ内に圧力が加わっている状態から圧力を減少させる際には、送液を停止させてもダンパから流出する液体の流量が小さいため、迅速に圧力が低下しない。このため、同様に、圧力および流量を減少させるのに長時間を要する。

本発明の目的は、流路内に流体の圧力変動を抑制する圧力変動抑制手段が設けられている場合に、迅速に定常状態に移行させることができるポンプシステムを提供することにある。

本発明のポンプシステムは、流路内の流体を駆動するポンプと、前記流路内における前記流体の圧力変動を抑制する圧力変動抑制手段と、を備えるポンプシステムにおいて、前記圧力変動抑制手段が定常状態に到達するまでの間、前記定常状態における前記ポンプの駆動流量を維持した場合よりも短時間で前記定常状態に到達するように、前記ポンプの駆動流量を制御するポンプ制御手段を備えることを特徴とする。
このポンプシステムによれば、圧力変動抑制手段が定常状態に到達するまでの間、ポンプ制御手段がポンプの駆動流量を制御することで、短時間で定常状態に到達させることができる。

前記流体の圧力変動は、前記ポンプの脈動に起因してもよい。

前記圧力変動抑制手段としてダンパが使用されてもよい。

前記流路内における前記流体の圧力を計測する圧力センサを備え、前記ポンプ制御手段は、前記圧力センサによる計測値と、前記定常状態における前記流体の圧力との比較結果に基づいて、前記ポンプの駆動流量を制御してもよい。

前記定常状態における前記流体の圧力値を記憶する記憶手段を備え、前記ポンプ制御手段は、前記記憶手段に記憶された前記定常状態における前記流量の圧力値を用いて前記ポンプの駆動流量を制御してもよい。

前記圧力変動抑制手段を前記流路から切り離す流路切替バルブと、前記流路切替バルブにより前記圧力変動抑制手段が前記流路から切り離された状態での前記圧力センサの信号に基づいて、前記定常状態における前記流体の圧力値を求める演算手段と、を備え、前記演算手段で求められた前記圧力値が前記記憶手段に記憶されてもよい。

前記演算手段は、前記圧力センサで計測される圧力の中心値を、前記定常状態における前記圧力値として求めてもよい。

本発明のポンプシステムによれば、圧力変動抑制手段が定常状態に到達するまでの間、ポンプ制御手段がポンプの駆動流量を制御することで、短時間で定常状態に到達させることができる。

以下、図１〜図５を参照して、本発明によるポンプシステムの一実施形態について説明する。

図１は、本実施形態のポンプシステムの構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本実施形態のポンプシステムが適用される流路は、溶液槽１、ポンプ２、流路切替バルブ３、ダンパ４、圧力センサ５、リリーフバルブ６、流路７および溶液槽８により構成される。ポンプ２は上記流路内の流体を駆動し、圧力センサ５は上記流路内における流体の圧力を計測する。ダンパ４は上記流路内における流体の圧力変動を抑制する圧力変動抑制手段として機能する。リリーフバルブ６は流体の圧力を所定の圧力値以上に保つことにより、ダンパ４による圧力変動の減衰機能を低流量時でも維持する機能を有する。リリーフバルブ６は上記所定の圧力値に到達すると自動的に弁を開き、流路７に向けて流体を流す。

また、本実施形態のポンプシステムは、ポンプ２の回転数および回転方向を制御するポンプ制御手段２１と、定常状態における流体の圧力値を格納する記憶手段２２と、定常状態における流体の圧力値を求めるための演算手段２３と、を備える。

図２は、流路切替バルブ３により流路を切り替えた状態を示すブロック図である。

図２に示すように、本実施形態のポンプシステムでは、流路切替バルブ３を切り替えることで、ダンパ４を上記流路から切り離すことができる。この場合、ダンパ４は、流路切替バルブ３を介してポンプ１１および溶液槽１２と接続される。

次に、本実施形態のポンプシステムの動作について説明する。

本実施形態のポンプシステムでは、図１の状態でポンプ２を動作させ、流体を流路７に供給する。定常状態では、ポンプ２は所定の設定流量で流体を吐出し、ダンパ４によりポンプ２の脈流に起因する圧力変動を抑制している。このため定常状態では、流路７に対して設定流量での安定した無脈流送液を行うことができる。

次に、定常状態に到達するまでの動作について説明する。本実施形態のポンプシステムでは、設定圧力に到達するまで、ポンプ２からの吐出流量を定常状態よりも大きくすることで、ポンプ２の吐出開始から定常状態（設定圧力）における無脈流送液に移行するまでの時間を短縮している。

ポンプ２による送液が開始されると、圧力センサ５は現在の送液圧力を計測する。また、記憶手段２２には、定常状態における設定圧力が記憶されている。ポンプ制御手段２１は、記憶手段２２に記憶された設定圧力と、圧力センサ５の計測値を比較し、計測値、すなわち現在の送液圧力が設定圧力よりも小さい場合には、定常状態における設定流量よりもポンプ２の送液流量を大きくなるように制御する。

図３（ａ）は、圧力センサ５の計測値（現在の送液圧力の圧力値）と、制御手段２１により制御されるポンプ２の流量との関係を例示する図である。図３（ａ）の例では、流量が圧力センサ５の計測値に応じて段階的に規定されており、ポンプ制御手段２１は、圧力センサ５の計測値が大きくなるに従い、流量が段階的に小さくなるようにポンプ２をフィードバック制御している。圧力センサ５の計測値が設定圧力に等しい場合には、定常状態における設定流量となる。このように圧力センサ５の計測値の増加に応じて多段階で流量を低下させることで、定常状態移行時における過渡的な圧力のオーバーシュートの発生を防止できる。

図３（ｂ）に示すように、圧力センサ５の計測値に対して２段階でポンプ２の流量を制御してもよい。この場合には、圧力センサ５の計測値が設定圧力に接近するまで大流量が維持されるため、より短時間で設定圧力に到達する。

図３（ｃ）に示すように、圧力センサ５の計測値が大きくなるに従い、流量を連続的に減少させてもよい。例えば、ポンプの駆動信号となるパルス周波数を圧力センサ５の計測値に応じて変化させることで、流量を連続的に変化させることができる。

図４（ａ）は、設定圧力に到達するまでの間、ポンプ２の流量を増加させた場合の効果を例示する図である。図４（ａ）において、曲線３１は、比較のためポンプ２の流量を設定流量に維持した場合を示しており、設定圧力に到達するまで長時間を要している。これに対して、曲線３２は、設定圧力に到達するまでの間、ポンプ２の流量を増加させた場合を示している。この場合には、曲線３１と比較して設定圧力に到達するまでの応答性が大幅に改善され、短時間で設定圧力に到達している。設定圧力に到達したとき、ダンパ４内の溶液量の増加によってダンパのばね成分が圧縮されたときに生じる力と、設定圧力による力が釣り合う定常状態となる。

図４（ｂ）は、送液圧力が設定圧力に到達した後、圧力値０まで送液圧力を低下させる例を示している。この場合、最終的な定常状態は、圧力値＝０、流量＝０である。図４（ｂ）において曲線３３は、定常状態に到達するまでポンプ２の流量を０に維持した場合を示しており、圧力値０に到達するまで長時間を要している。これに対し、曲線３４は、定常状態に到達するまでポンプ２を逆転させることにより、溶液を逆方向に吸引した（流量をマイナスとした）例を示しており、極めて短時間で定常状態（圧力値＝０の状態）に到達している。

次に、設定圧力が不知の場合に、設定圧力を計測する方法を説明する。

新たな流路７に所定流量での定流量送液を行う際、その所定流量に対応する設定圧力が不明な場合には、記憶手段２２に格納すべき設定圧力の値を求める必要がある。

図５は、設定圧力を計測する方法を示す図である。

設定圧力を計測する場合、図２に示すように、流路切替バルブ３によりダンパ４を流路から切り離す。この場合、ポンプ２から吐出された液体は、流路切替バルブ３を介して直接、圧力センサ５以降の流路に供給される。この状態ではダンパ４が接続されていないため、図５に示すように、ポンプ２から所定流量での送液を開始すると送液圧力は即座に上昇する。また、ダンパ４による圧力変動の抑制作用がないため、図５に示すように、圧力センサ５により計測される圧力には、ポンプ２に由来する脈流３５を生じており、正弦波状の圧力変動が発生する。

図２に示すように、流路切替バルブ３の切り替え位置が図２の位置にある場合、演算手段２３は、図５に示すように脈流３５により変動する圧力センサ５の計測値の中心値を求め、この値を設定圧力として記憶手段２２に格納する。設定圧力が記憶手段２２に格納された後、ポンプ２からの送液を停止する。その後、記憶手段２２に記憶された設定圧力を用いて、ポンプ２の流量を上述の方法で制御することができる。図５には、求められた設定圧力を用いてポンプ２の流量を制御する場合の圧力変化を曲線３２（図４（ａ））として再掲している。

同様の手順を複数の流量について実行することもでき、この場合には、複数の流量について、流量と設定圧力との関係を求め、記憶手段２２に格納することができる。

このように、ダンパ４を介さない送液経路を形成した状態での圧力計測により、ダンパ４を接続した流路に所定流量で送液する場合の設定圧力を迅速に求めることができる。一旦、このような手順で設定圧力を求めておけば、流路７や送液の条件に変更がない限り、次回からの送液においてこの手順は不要となり、記憶手段２２に記憶された設定圧力を用いてポンプ２の制御を行うことができる。

なお、図２に示すようにダンパ４を流路から切り離した場合には、ダンパ４内の溶液はポンプ１１を用いて溶液槽１２に迅速に排出できるので、本実施形態のポンプシステムでは、容易に溶液を置換することができる。また、ポンプ２の脈流が問題とならない場合には、ダンパ４を使用せず、図２に示す接続状態で流路７に対する送液を行うこともできる。

本発明によるポンプシステムは、流体を駆動するポンプを制御する場合に広く適用できるが、例えば、ＨＰＬＣ（高速液体クリマトグラフィー）による分析システムに適用できる。一般に、ＨＰＬＣにおいて分離カラムを通過する溶液の圧力、流量が変動すると、検出される資料の保持時間に変動が生じ、分解能が低下するため、ダンパにより圧力変動を抑制している。このため、従来のシステムでは、ポンプの起動から定常状態に到達するまで時間がかかり、分析を繰り返す場合などに分析作業に長時間を要するという不都合がある。しかし、本発明のポンプシステムによれば、設定圧力に短時間で到達し、安定送液が可能となるため、分析を迅速に行うことが可能となる。

また、マイクロ化学合成では、Ｙ字型のマイクロリアクタ流路の２つの入力口から化学合成を行わせる２種類の溶液を導入し、マイクロリアクタ流路内で合流させる。溶液は２層流となって流路を流れ、拡散混合により制御性の良好な化学合成が行われる。しかし、流量が変動すると２層流の界面が不規則となるとともに滞留時間にばらつきが生じ、良好な制御性が損なわれる。このため、ＨＰＬＣによる分析と同様、ダンパにより圧力変動を抑制しているが、本発明のポンプシステムによれば、設定圧力に短時間で到達するため、作業の効率を大幅に向上させることができる。

その他、本発明によるポンプシステムは、製造装置や医療装置などにも広く適用できる。また、流体は液体、気体を問わない。

以上説明したように、本発明のポンプシステムによれば、圧力変動抑制手段が定常状態に到達するまでの間、圧力変動抑制手段に流体を設定流量より大きな流量で供給し、あるいはポンプを逆転させて圧力変動抑制手段から流体を吸引するので、短時間で定常状態に到達させることができる。このため、定常状態を得るまでの時間を大幅に短縮できる。

本発明の適用範囲は上記実施形態に限定されることはない。本発明は、流路内の流体を駆動するポンプと、前記流路内における前記流体の圧力変動を抑制する圧力変動抑制手段と、を備えるポンプシステムに対し、広く適用することができる。

一実施形態のポンプシステムの構成を示すブロック図。 流路切替バルブにより流路を切り替えた状態を示すブロック図。 送液圧力とポンプ流量との関係を示す図であり、（ａ）は流量を多段階に規定した例を示す図、（ｂ）は流量を２段階に規定した例を示す図、（ｃ）は流量を連続的に制御する例を示す図である。 本発明の効果を説明する図であり、（ａ）は設定圧力に到達するまでの間、ポンプ流量を増加させる例を例示する図、（ｂ）は送液圧力が設定圧力に到達した後、圧力値０まで送液圧力を低下させる例を示す図。 設定圧力を計測する方法を示す図。

符号の説明

２ ポンプ
３ 流路切替バルブ
４ ダンパ（圧力変動抑制手段）
５ 圧力センサ
２１ ポンプ制御手段
２２ 記憶手段
２３ 演算手段

Claims (7)

1. 流路内の流体を駆動するポンプと、前記流路内における前記流体の圧力変動を抑制する圧力変動抑制手段と、を備えるポンプシステムにおいて、
   前記圧力変動抑制手段が定常状態に到達するまでの間、前記定常状態における前記ポンプの駆動流量を維持した場合よりも短時間で前記定常状態に到達するように、前記ポンプの駆動流量を制御するポンプ制御手段を備えることを特徴とするポンプシステム。
2. 前記流体の圧力変動は、前記ポンプの脈動に起因することを特徴とする請求項１に記載のポンプシステム。
3. 前記圧力変動抑制手段としてダンパが使用されることを特徴とする請求項１または２に記載のポンプシステム。
4. 前記流路内における前記流体の圧力を計測する圧力センサを備え、
   前記ポンプ制御手段は、前記圧力センサによる計測値と、前記定常状態における前記流体の圧力との比較結果に基づいて、前記ポンプの駆動流量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のポンプシステム。
5. 前記定常状態における前記流体の圧力値を記憶する記憶手段を備え、
   前記ポンプ制御手段は、前記記憶手段に記憶された前記定常状態における前記流量の圧力値を用いて前記ポンプの駆動流量を制御することを特徴とする請求項４に記載のポンプシステム。
6. 前記圧力変動抑制手段を前記流路から切り離す流路切替バルブと、
   前記流路切替バルブにより前記圧力変動抑制手段が前記流路から切り離された状態での前記圧力センサの信号に基づいて、前記定常状態における前記流体の圧力値を求める演算手段と、を備え、
   前記演算手段で求められた前記圧力値が前記記憶手段に記憶されることを特徴とする請求項５に記載のポンプシステム。
7. 前記演算手段は、前記圧力センサで計測される圧力の中心値を、前記定常状態における前記圧力値として求めることを特徴とする請求項６に記載のポンプシステム。

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