JP5725822B2 - シリンジポンプ装置及びその診断方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体供給装置や反応装置のシステムなどに用いられるシリンジポンプ、特にそのシリンジポンプの診断を可能とするシリンジポンプ装置及びその診断方法に関するものである。

シリンジポンプ装置は、特許文献１に開示の単動タイプだけではなく特許文献２に開示の多連タイプもあるが、基本作動は流体（液体、気体、流動物）を適量だけ吸引したり吐出し、またその吸引と吐出を連続して繰り返す点で同じ。図５（ａ）は単動タイプの一般的なシリンジポンプ装置を示している。このシリンジポンプ装置１は、シリンダ２及びピストン３からなるシリンジ４と、シリンダ２を保持するシリンダ支持部（シリンダホルダ）８と、ピストン３の基端３ｂを保持するピストン支持部５と、不図示の駆動源によりピストン支持部５を可動してピストン３を往復動するピストン駆動機構部６とを備えている。このうち、シリンダ２は、中空の円柱形状であり、出入口２ａを一端側に有している。ピストン３は、シリンダ２に嵌入する円柱形状であり、シリンダ内周に摺接する耐摩耗製の先端３ａに有している。基端３ｂはピストン支持部５にブラケットなどを介して固定される。

以上のシリンジポンプ装置１は、ピストン３の往復動によりシリンダ２内に流体を吸引したり吐出する。単動タイプのものは、供給する流体量が１つのシリンダの容量によって決まる。このため、シリンダの容量以上の流体量を連続して送る場合は、図６に示されるような連動タイプが用いられる。この連動タイプでは、２組以上のシリンジポンプ装置１を組み合わせてシステム化しており、連続して供給する流体量を増加することにより、化学工業の分野などでの利用に好適なものになっている。すなわち、このシステムでは、一方のシリンジ４が吸引動作のときには他方のシリンジ４が吐出動作となるように、各ピストン駆動機構部６においては２つのピストン３を互い逆方向に制御する。この制御では、同図に示した鎖線矢印又は実線矢印で示したごとく、流体Ａが配管１２及びチャッキ弁１３を介して吸引動作のシリンジ４に所定量吸引される一方、吐出動作のシリンジ４から配管１２及びチャッキ弁１３を介して処理装置１４に所定量供給される。なお、チャッキ弁１３に代えて電磁弁にて切り換えることもある。

図５や図６のシリンジポンプ装置では１種類の流体を取り扱っているが、複数の流体を取り扱うシステムとして、図７に例示されるごとく２種類の流体ＡとＢを反応させるためのシリンジポンプ装置を用いたシステムがある。このシステムは、図６に示した連動タイプのシリンジポンプ装置１のシステムを２組用い、流体ＡとＢをそれぞれの組のシリンダ２から所定量分だけ吐出し、配管１２及びチャッキ弁１３を介して反応装置１５に供給する。処理量を上げるには、例えば当該システムをより多く用意することによりその目的を達成できる。しかし、処理量能力とシステムの設備費とは比例することから、経済的に有効な方法とは言えない。この場合は特許文献１の多連式が好適となる。多連式では、複数のシリンジと、各シリンジを構成している複数のシリンダを保持するシリンダ支持部と、各シリンジを構成している複数のピストンを保持するピストン支持部と、ピストン支持部を可動して各ピストンを同時に往復動可能な駆動機構部とを備えている。

特開２００５−２４２０６１号公報 特開２００６−７０８６８号公報

ところで、上記従来のシリンジポンプ装置では、図５（ｂ）に示したごとくピストン３がその先端３ａをシリンダ２の内周に摺接するため耐摩耗製にしても摩耗進行がはやくシリンジの寿命要因となる。そして、例えば図６や図７に示すシステムにおいて、複数のシリンジ４のうち、１つのシリンジがピストン先端の摩耗により異常になった場合はその稼働率が５０％の低下で済むが、特許文献２の多連式シリンジポンプ装置を用いて反応装置を稼働するシステムでは正常な反応が損なわれたり運転を全面停止しなければならなくなる。また、従来はピストンの摩耗に起因した寿命判断として、シリンジポンプ装置の稼働積算時間などで判断することもあるが、複数のシリンジのピストンが全て同じ摩耗状態であるとは限らず、寿命になっていないピストンも交換するということもある。

本発明の目的は、シリンジポンプ装置の状態を簡単に診断し、異常ないしは異常に近づいていることを的確に判断して、事前に対処できるようにすることによりシリンジポンプ装置を用いたシステムの稼働効率を維持向上することにある。

請求項１の発明は、図１を参照して特定すると、シリンダ２及びピストン３からなるシリンジ４と、前記シリンダを保持するシリンダ支持部８と、前記ピストンの基端を保持するピストン支持部５と、前記ピストン支持部を可動して前記ピストンを往復動するピストン駆動機構部６とを有し、ピストン３を往復動することによりシリンダ２内に流体を吸引したり吐出するシリンジポンプ装置１の異常状態を診断する方法であって、前記ピストン３の往復動により前記シリンダ２内に生じる応力に相当する検出値を得るための応力センサとして、前記シリンダの周囲部分を保持している前記シリンダ支持部のホルダ部８ａ又は前記シリンダ外周に取り付けられたストレインゲージ９を有し、前記ストレインゲージにて検出した検出値と、予め求められて前記シリンダと前記ピストンとの間の摩擦力が低減した状態におけるシリンダ圧縮方向軸力に相当する基準値とを比較し、前記検出値が前記基準値に接近ないしは達したときに前記ピストンの摩耗が大きいと推定し前記シリンジポンプ装置を異常状態と判断することを特徴としている。

請求項２の発明は、図１を参照して特定すると、シリンダ２及びピストン３からなるシリンジ４と、前記シリンダ２を保持するシリンダ支持部８と、前記ピストン３の基端を保持するピストン支持部５と、前記ピストン支持部５を可動して前記ピストンを往復動するピストン駆動機構部６とを備え、前記ピストン３の往復動により前記シリンダ２内に流体を吸引したり吐出するシリンジポンプ装置１において、前記ピストン３の往復動により前記シリンダ内に生じる応力に相当する検出値を得るための応力センサとして、前記シリンダの周囲部分を保持している前記シリンダ支持部のホルダ部８ａ又は前記シリンダ外周に取り付けられたストレインゲージ９と、前記ストレインゲージにて検出した検出値と、予め求められて記憶されている前記シリンダと前記ピストンとの間の摩擦力が低減した状態におけるシリンダ圧縮方向軸力に相当する基準値とを比較しながら前記シリンジポンプ装置４の状態を監視し、前記検出値が基準値に接近ないしは達したときに前記ピストンの摩耗が大きいと推定し異常状態と判断する計測・制御手段１０とを備えていることを特徴としている。

請求項１の発明は、シリンジポンプ装置の診断方法、つまりシリンジポンプ装置の異常状態を診断する方法として、シリンダ内に生じた応力を応力センサとして、前記シリンダの周囲部分を保持しているシリンダ支持部のホルダ部又は前記シリンダ外周に取り付けられたストレインゲージにより圧縮方向の軸力として検出し、この検出値と予め求めている基準値とを比較して診断するため、簡単であり、ピストンの摩耗進行などによる異常の発生前に必要な処置を的確に施すことが可能となる。

また、この発明では、応力センサとして扱い易いストレインゲージを用いて、その検出値が基準値に近いほどピストンの摩耗が大きいと推定し、それにより異常発生原因として最も生じ易い項目から検討可能にすることに意義がある。

請求項２の発明は、シリンジポンプ装置として、請求項１の効果に加えて、応力センサとしてストレインゲージ及び計測・制御手段によりシリンジポンプ装置の異常状態を的確かつ容易に診断可能となり、引いてはシリンジポンプ装置を用いたシステムの稼働率も向上できる。

本発明形態のシリンジポンプ装置の構成を示す模式図である。 （ａ）は上記シリンジポンプ装置のシリンダホルダを図１の右側より見た側面図、（ｂ）は上面ないしは平面図である。 （ａ）は上記シリンジポンプ装置のシリンジ内圧力とシリンダホルダの圧縮方向軸力との関係を模式的に示すグラフ、（ｂ）は上記シリンジ内圧力及びシリンダホルダの圧縮方向軸力の測定結果を基準値と共に示すグラフである。 上記シリンジポンプ装置の変形例を図１に対応して示す図である。 （ａ）は従来シリンジポンプ装置（単動タイプ）の構成を示す模式図、（ｂ）はシリンジを構成しているピストンの先端側を示す部分拡大図である。 従来シリンジポンプ装置（連動タイプ）を用いた処理システムの模式図である。 従来シリンジポンプ装置を用いた反応処理システムの模式図である。

以下、本発明形態としてのシリンジポンプ装置及びその診断方法を図面を参照しながら説明する。この説明では、シリンジポンプ装置の構造、診断方法、変形例の順に詳述する。なお、図１及び図４中、図５と同一箇所には同一符号を付し、重複した説明を極力省く。

（構造）形態例のシリンジポンプ装置は、図１に示されるごとくシリンダ２及びピストン３からなるシリンジ４と、シリンダ２を保持するシリンダホルダ８と、ピストン３の基端３ｂを保持するピストン支持部５と、駆動源としてサーボモータやステッピングモータなどを用いてピストン支持部５を可動してピストン３を往復動するピストン駆動機構部６とを備えている点で従来と同じ。異なる構成は、シリンダホルダ８に取り付けられ、シリンダ２内に生じる応力（歪み）に相当すホルダ圧縮方向の軸力を検出するための応力センサ９と、この応力センサ９の検出信号によりシリンダ内に生じた応力（歪み）を計測系で検出し、この検出値が所定の基準値と比較してシリンジポンプ装置の状態を制御系で診断する計測・制御手段１０とを備えている点にある。

ここで、シリンダホルダ８は、本発明のシリンダ支持部に相当し、図２に示されるごとく筒形のホルダ部８ａ及び板状の取付部８ｂとを一体に有している。ホルダ部８ａは、シリンダ２の開口側外周（開口縁に設けられたフランジ部２ｂの上側外周）に係合する係合孔８ｃ、及び該係合孔８ｃの上側をシリンダ外径より一回り大きくした遊嵌孔８ｄを形成している。そして、シリンダ２は、前記係合孔８ｃ及び遊嵌孔８ｄに対し下から上向きに挿入し、ホルダ部８ａの下端面にフランジ部２ｂを当接した状態で固着されている。この場合、シリンダ２は、ホルダ部８ａに対して係合孔８ｃの内周回りに塗布された接着剤により一体化されている。

応力センサ９は、図２に示されるごとくホルダ部８ａの外周にあって係合孔８ｃより少し上側に取り付けられている。この応力センサ９としては、市販品のストレインゲージを用いて、ゲージの向きがシリンダ２の軸方向（往復動方向）となるように取り付けられる。なお、応力センサ９としては、ストレインゲージなどをシリンダ２の外周に直に取り付けるようにしてもよい。

また、計測・制御手段１０は、応力センサ９としてのストレインゲージからの検出信号を入力して、演算処理する処理部、表示部、警報部などを有している。演算処理部は、前記検出信号に基づく検出値（データ）を用いて、マイクロコンピュータよりシリンジポンプ装置の状態を判断したり監視する。表示部はその判断結果や監視状況を画面に表示する。警報部は異常と判断されたとき警報音などを発する。以上の構成においては、応力センサ９がホルダ部８ａの外周に取り付けられているため、シリンダ内の圧力によりシリンダ内に生じる歪みをホルダ部８ａの圧縮方向軸力として検出することができ、この軸力と予め求められている基準値とを比較し、シリンジポンプ装置（特にピストン３の先端３ａの摩耗状態）の異常を監視する。

（診断方法）次に、図３のグラフについて説明する。図３（ａ）は、シリンジ内圧力（吐出時のシリンダ内圧力）とシリンダホルダ８に加わる圧縮方向軸力との関係を示している。この関係では、吐出時のシリンジ内圧力とシリンダホルダの圧縮方向軸力とは比例する傾向にある。具体的には、シリンジ内に正圧力がかかると、ピストン３を押し下げる力が発生し、同時にシリンダ２を押し上げる力が発生する。このシリンダ２の下部がホルダ部８ａに接続一体化されており、そのシリンダを押し上げる力によりホルダ部８ａに軸方向の圧縮応力が発生する。なお、軸方向とはピストンが往復する方向である。同グラフ中、Ａはシリンダとピストンの接触シール（シリンジの液シール）の摩擦抵抗による力に相当するものである。したがって、非接触シールのシリンジ（摩耗が大きく進行した状態）の場合ではＡはほぼ零となる。

図３（ｂ）において、横軸は圧力つまりシリンジ内圧力（ｋｇｆ／ｃｍ^２）で、縦軸はシリンダホルダ８にかかる圧縮方向の軸力（ｇｆ）である。実線は、シリンダ２の内周面と接触しているピストン３の先端３ａが大きく摩耗し、シリンダ２とピストン３との間の摩擦力が極端に小さくなった状態での圧力と軸力との関係を示している。この実線は、本願発明の基準値に相当しており、シリンジ内圧力に対応して予め求めたものを基準値として計測・制御手段１０に記憶される。これに対し、 同図の鎖線上にプロットされた白丸は、図１のシリンジポンプ装置に類似の装置を使用し、シリンジ内圧力としてシリンジ内に圧縮空気を張った状態（吐出時の圧力）で、圧力（ｋｇｆ／ｃｍ^２）を０、１、３、５と変えて、上記圧縮方向の軸力を測定した値である。なお、シリンジはＨＡＭＩＬＴＯＮ社の１０ｍｌシリンダ（Ｓｙｒｉｎｇｅ Ｍｏｄｅｌ １０１０ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ（ｐｓｉ））を用いた。ストレインゲージは共和電業製のＫＦＧ−１−３５０−ｃ１−２３を用いた。

以上の測定結果ではシリンジ内の圧力が大きいほど、軸力が大きくなることが分かる。逆に、シリンダ２とピストン３との間の摩擦が小さくなる程、軸力（測定結果の同図の白丸）が低下し、同図の実線に近づくことになる。そこで、診断方法としては、制御装置１０において、応力センサ（ストレインゲージ）９からの検出信号によりシリンダホルダ８にかかる圧縮方向の軸力を計測し、この軸力が同図の鎖線に沿っているときには、シリンダ２とピストン３との間の摩擦が大きく、シリンジ４の状態が正常であると診断する。逆に、その軸力が同図の実線に極めて近く、あるいは達したときは、シリンダ２とピストン３との間の摩擦が小さく、つまりピストン３の先端３ａがかなり摩耗していると推定し、シリンジポンプ装置の状態が異常であると診断する。このようにな構成では、シリンダホルダ８にかる圧縮方向の軸力を得ることにより、シリンジポンプ装置の状態を常時監視することができる。

（変形例）図４は上記形態の変形例を示している。このシリンジポンプ装置では、図１に比べてピストン３の基端３ｂをピストン支持部５に着脱するチャック７と、チャック７が基端３ｂを装着する保持状態と離脱する非保持状態とに切り換える切換手段としてのバルブ１１とを有している点で異なっている。すなわち、チャック７は、ピストン支持部５に組み込まれた真空チャックであり、ピストン支持部５に貫通配置されている配管１２及び該配管１２の途中に介在されたバルブ１１を介して真空引きされる。バルブ１１は、３ポート電磁弁であり、チャック７を真空引きに保つ励磁状態から、消磁状態に切り換えるとチャック７の真空引きを遮断しかつ基端３ｂに対するチャック７の保持を解放する。また、バルブ１１は、計測・制御手段１０を介してチャック７を保持状態から非保持状態に切換可能となっている。

そして、この例では、計測・制御手段１０が上記したようにシリンジポンプ装置を異常と判断すると、バルブ１１へ信号（励磁から消磁状態に切り換える信号）を送信する。その結果、シリンジポンプ４は、同図のピストン３がシリンダ２から突出した吸引状態から、ピストン支持部５の上可動によりシリンダ２内に没する吐出状態となった後、ピストン支持部５が下可動するときにピストン３がチャック７から離脱されてポンプ停止状態となる。このため、この例では、計測・制御手段１０がシリンジポンプ装置を異常と判断すると、自動的にポンプ停止状態となるため、シリンジポンプ装置として安全性にも優れたものとなる。

なお、本発明は、請求項で特定される構成を備えておればよく、細部は以上の形態例や変形例を参考にして更に変更したり展開可能なものである。

１・・・シリンジポンプ装置
２・・・シリンダ（２ａは出入口）
３・・・ピストン（３ａは先端、３ｂは基端）
４・・・シリンジ
５・・・ピストン支持部
６・・・ピストン駆動機構部
７・・・チャック
８・・・シリンダホルダ（シリンダ支持部）
９・・・応力センサ（ストレインゲージ）
１０・・・計測・制御手段
１１・・・バルブ（切換手段）

Claims (2)

1. シリンダ及びピストンからなるシリンジと、前記シリンダを保持するシリンダ支持部と、前記ピストンの基端を保持するピストン支持部と、前記ピストン支持部を可動して前記ピストンを往復動するピストン駆動機構部とを有し、前記ピストンを往復動することにより前記シリンダ内に流体を吸引したり吐出するシリンジポンプ装置の異常状態を診断する方法であって、
   前記ピストンの往復動により前記シリンダ内に生じる応力に相当する検出値を得るための応力センサとして、前記シリンダの周囲部分を保持している前記シリンダ支持部のホルダ部又は前記シリンダ外周に取り付けられたストレインゲージを有し、
   前記ストレインゲージにて検出した検出値と、予め求められて前記シリンダと前記ピストンとの間の摩擦力が低減した状態におけるシリンダ圧縮方向軸力に相当する基準値とを比較し、前記検出値が前記基準値に接近ないしは達したときに前記ピストンの摩耗が大きいと推定し前記シリンジポンプ装置を異常状態と判断することを特徴するシリンジポンプ装置の診断方法。
2. シリンダ及びピストンからなるシリンジと、前記シリンダを保持するシリンダ支持部と、前記ピストンの基端を保持するピストン支持部と、前記ピストン支持部を可動して前記ピストンを往復動するピストン駆動機構部とを備え、前記ピストンの往復動により前記シリンダ内に流体を吸引したり吐出するシリンジポンプ装置において、
   前記ピストンの往復動により前記シリンダ内に生じる応力に相当する検出値を得るための応力センサとして、前記シリンダの周囲部分を保持している前記シリンダ支持部のホルダ部又は前記シリンダ外周に取り付けられたストレインゲージと、
   前記ストレインゲージにて検出した検出値と、予め求められて記憶されている前記シリンダと前記ピストンとの間の摩擦力が低減した状態におけるシリンダ圧縮方向軸力に相当する基準値とを比較しながら前記シリンジポンプ装置の状態を監視し、前記検出値が基準値に接近ないしは達したときに前記ピストンの摩耗が大きいと推定し異常状態と判断する計測・制御手段とを備えていることを特徴とするシリンジポンプ装置。

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