JP6879387B2 - 送液装置 - Google Patents

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Description

本発明は、プランジャポンプによって液の吸入と吐出を繰り返すことにより送液を行なう送液装置に関するものである。
液体クロマトグラフなどの分析装置では、2台のプランジャポンプを相補的に動作させて移動相を連続的に送液する送液装置がよく用いられる。そのような送液装置では、プランジャポンプの入口側や出口側に液の逆流を防止する逆止弁が設けられている。逆止弁は、一般的に、液の流れ方向に対して移動可能に設けられた球状の弁体と、その弁体を着座させる弁座を有する。弁座は中空の円筒状部材であり、その内側を液が流れるようになっている。弁座の開口の縁に球状の弁体を着座させることで液の流路が閉じられる。
プランジャポンプの入口側の逆止弁は、プランジャポンプが吐出動作を行なうと、ポンプ室内が正圧(大気圧よりも高圧の状態)になり、ポンプ室側の圧力によって弁体が弁座側へ押されて着座する。逆に、プランジャポンプが吸入動作を行なうと、ポンプ室内が負圧(大気圧よりも低圧の状態)になり、その負圧によって弁体がポンプ室側へ引き付けられて弁座から離脱する。
上記のように、ポンプ室内の圧力によって弁体が受動的に動作する逆止弁では、弁体表面又は弁体と弁座の接触面への汚れの付着等によって弁体と弁座が吸着するようになった場合、吸入動作の際にポンプ室内で発生する負圧のみでは入口側の逆止弁が開かなくなり、送液不良が生じることもある。
そこで、ソレノイド等を用いて弁体を能動的に動作させることが提案されている(特許文献1、特許文献2を参照。)。弁体を能動的に動作させることで、弁体と弁座が吸着した場合でも確実に弁体を弁座から離脱させることができ、弁を開くことができる。
特開2001−235052号公報 WO2017/046861A1
特許文献1や特許文献2に開示されているような逆止弁では、弁座の内側に設けられたピンによって弁体を弁座から離脱させる方向へ押圧することにより、弁体を能動的に弁座から離脱させるように構成されている。弁座はサファイアやジルコニアといった硬質の材料で構成されており、ピンは弁座よりも硬度の低いステンレスなどの材料で構成されているため、ピンが弁座の内側で摺動するとピンが摩耗する。弁体を弁座から離脱させる動作をすべて能動的に行なうと、弁座の内側でのピンの摺動回数が多くなり、ピンの消耗が早くなる。
そのため、弁体と弁座との吸着が発生したときのみ弁体を能動的に駆動することが好ましいのであるが、従来では、弁体と弁座の吸着の発生を検知することができなかったため、逆止弁の開放動作をすべて能動的に行なわざるを得なかった。また、ピンの摩耗により発生する摩耗粉が弁座と弁体の間に挟まると、逆止弁を閉鎖する際の液密性が低下して逆止弁としての機能が損なわれる虞もある。
そこで、本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、逆止弁の弁体と弁座の吸着を検知できるようにすることを目的とするものである。
本発明に係る送液装置は、ポンプ室への液の吸入動作と前記ポンプ室からの液の吐出動作を行なうプランジャポンプであって、前記吸入動作の際の前記ポンプ室内の圧力が前記吐出動作の際よりも低下するプランジャポンプと、前記プランジャポンプの入口側に設けられ、球状の弁体と前記弁体を着座させるための弁座を有し、前記ポンプ室内の圧力に応じて前記弁体が前記弁座へ着座する方向と前記弁座から離脱する方向へ受動的に動作する逆止弁と、前記プランジャポンプのポンプ室内の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサにより検出される前記ポンプ室内の圧力と予め設定されたしきい値とを比較し、前記ポンプ室内の圧力が前記しきい値以下になったときに前記弁体と前記弁座との吸着を検知するように構成された吸着検知部と、を備えたものである。
すなわち、本発明は、プランジャポンプの入口側に設けられた逆止弁における弁体と弁座の吸着を検知する機能を具備させた送液装置である。弁体と弁座の吸着を検知する対象となる逆止弁は、吸入動作の際のポンプ室内の圧力が吐出動作の際よりも低下するプランジャポンプの入口側に設けられている逆止弁である。「吸入動作の際のポンプ室内の圧力が吐出動作の際よりも低下するプランジャポンプ」とは、吸入動作の際に出口側が別の逆止弁によって閉鎖されることでポンプ室内が送液圧力よりも低い圧力まで減圧されるポンプである。本発明の送液装置が2台のプランジャポンプが互いに直列に接続された直列型ダブルプランジャポンプからなるものである場合には、上流側(1次側)のプランジャポンプがそれに相当する。一方で、本発明の送液装置が2台のプランジャポンプが互いに並列に接続された並列型ダブルプランジャポンプからなるものである場合には、両方のプランジャポンプがそれに相当する。
上記のようなプランジャポンプは、吸入動作の際、逆止弁が正常に開けば、ポンプ室内の圧力が大気圧付近の圧力に維持されるはずであるが、弁体と弁座の吸着によって逆止弁が閉じたままになっていると、ポンプ室内の圧力が大気圧よりも低い圧力にまで減圧されることになる。本発明ではこの現象を利用し、大気圧よりも僅かに低い値をしきい値として設定しておき、吸入動作の際のポンプ室内の圧力をそのしきい値と比較することで、逆止弁が正常に作動しているか、すなわち弁体と弁座が吸着しているか否かを判定する。
本発明は、前記逆止弁が、前記弁座に着座している前記弁体を前記弁座から離脱させる方向へ能動的に駆動するための弁体駆動部を有する場合に特に有効である。この場合、前記弁体駆動部の動作を制御するための弁体駆動制御部を備え、前記弁体駆動制御部は、前記吸入動作の際に前記吸着検知部が前記弁体と前記弁座との吸着を検知したときにのみ、前記弁体駆動部によって前記弁体を前記弁座から離脱させる方向へ能動的に駆動するように構成されていることが好ましい。これによって、逆止弁の弁体を弁体駆動部によって能動的に動作させる回数を低減することができ、弁体駆動部を構成する部品の摩耗を抑制することができる。
前記弁体駆動部は、前記弁座の内側で動作可能に設けられたピン、及び前記ピンで前記弁体を前記弁座から離脱させる方向へ押圧するように前記ピンを動作させる作動部を備えたものであってもよい。その場合、前記ピンのうち少なくとも前記弁座の内側と摺動する部分が、前記弁座と同じ材料で構成されていることが好ましい。そうすれば、前記ピンが前記弁座の内側と摺動する際の摩耗をさらに抑制することができる。
また、前記ピンの外周面又は前記弁座の内側面の少なくともいずれか一方にダイヤモンドライクカーボンによるコーティングが施されていてもよい。ダイヤモンドライクカーボンは摺動性及び耐摩耗性に優れるので、前記ピンが前記弁座の内側と摺動する際の摩耗をさらに抑制することができる。
本発明に係る送液装置では、圧力センサによって検出されるプランジャポンプのポンプ室内の圧力が予め設定されたしきい値以下になっているか否かによって、弁体と弁座との吸着を容易に検知することができる。
送液装置の一実施例を示す概略構成図である。 1次ポンプ圧力の時間変化の一例を示すグラフであり、(A)は第1逆止弁が正常に作動したとき、(B)は第1逆止弁が正常に作動しなかったとき、をそれぞれ示している。 同実施例における第1逆止弁の駆動制御の一例を説明するためのフローチャートである。 同実施例における第1逆止弁の構造を示す断面図である。 図2におけるX−X位置における断面図である。 第1逆止弁を能動的に開放させた状態を示す断面図である。 第1逆止弁の他の構造の一例を示す断面図である。
以下、本発明に係る送液装置の一実施例について、図面を用いて説明する。
図1に示されているように、この実施例の送液装置1は、一次側ポンプ2と二次側ポンプ22からなる2つのプランジャポンプを備えている。一次側ポンプ2と二次側ポンプ22は互いに直列に接続されている。一次側ポンプ2と二次側ポンプ22は吐出流路38を通じて液を連続的に送液するように相補的に動作する。なお、この実施例では、2つのプランジャポンプ2,22が互いに直列に接続されてなる直列型ダブルプランジャポンプの例を説明するが、本発明はこれに限定されるものではなく、2つのプランジャポンプが互いに並列に接続されてなる並列型ダブルプランジャポンプにも適用可能である。
一次側ポンプ2は、内部にポンプ室4を有するポンプヘッド3と、ポンプボディ6を備えている。ポンプヘッド3はポンプボディ6の先端に設けられている。ポンプヘッド3には、ポンプ室4に液を流入させる入口部とポンプ室4から液を流出させる出口部が設けられている。ポンプヘッド3の入口部に、液の逆流を防止するための第1逆止弁16が設けられている。逆止弁16は、基本的には、ポンプ室4内の圧力状態に応じて球状の弁体が受動的に作動するものであり、一次側ポンプ2が液の吸入動作を行なう際は弁体が弁座から離脱して開き、一次側ポンプ2が液の吐出動作を行なう際は弁体が弁座に着座して閉じる。
図1では示されていないが、第1逆止弁16は弁体を能動的に駆動する弁体駆動部を備えており、閉鎖している第1逆止弁16を強制的に開くこともできる。第1逆止弁16の動作は、後述する制御部40によって制御される。逆止弁16の具体的な構造については後述する。
ポンプ室4にはプランジャ10の先端が摺動可能に挿入されている。プランジャ10の基端はポンプボディ6内に収容されたクロスヘッド8によって保持されている。クロスヘッド8は送りネジ14の回転によりポンプボディ6内で一方向(図において左右方向)に移動し、それに伴ってプランジャ10が一方向に移動する。ポンプボディ6の基端部に送りネジ14を回転させる一次側ポンプ駆動用モータ12が設けられている。一次側ポンプ駆動用モータ12はステッピングモータである。
二次側ポンプ22は、内部にポンプ室24を有するポンプヘッド23と、ポンプボディ28を備えている。ポンプヘッド23はポンプボディ28の先端に設けられている。ポンプヘッド23には、ポンプ室24に液を流入させる入口部とポンプ室24から液を流出させる出口部が設けられている。ポンプヘッド23の入口部に、液の逆流を防止するための第2逆止弁26が設けられている。第2逆止弁26は、ポンプ室24内の圧力状態に応じて球状の弁体が受動的に作動するものであり、二次側ポンプ22が液の吸入動作を行なう際は弁体が弁座から離脱して開き、二次側ポンプ22が液の吐出動作を行なう際は弁体が弁座に着座して閉じる。
ポンプ室24にはプランジャ32の先端が摺動可能に挿入されている。プランジャ32の基端はポンプボディ28内に収容されたクロスヘッド30によって保持されている。クロスヘッド30は送りネジ36の回転によりポンプボディ28内で一方向(図において左右方向)に移動し、それに伴ってプランジャ32が一方向に移動する。ポンプボディ28の基端部に送りネジ36を回転させる二次側ポンプ駆動用モータ34が設けられている。二次側ポンプ駆動用モータ34はステッピングモータである。
ポンプヘッド3の入口部は、送液対象の液を貯留する容器(図示は省略)に、流路を介して接続されている。ポンプヘッド23の入口部は、連結流路18を介して、ポンプヘッド3の出口部と接続されている。連結流路18上にポンプ室4内の圧力(P1)を検出する第1圧力センサ20が設けられている。
ポンプヘッド23の出口部には吐出流路38が接続されている。吐出流路38は、例えば液体クロマトグラフの分析流路に通じている。吐出流路38上に送液圧力(P2)を検出するための第2圧力センサ39が設けられている。
一次側ポンプ駆動用モータ12及び二次側ポンプ駆動用モータ34の動作は、制御部40により制御される。制御部40は、吐出流路38を通じて送液される液の流量が予め設定された目標流量となるように、一次側ポンプ2と二次側ポンプ22を相補的に動作させる。制御部40は、演算素子と、その演算素子によって実行されることで特定の機能を実現するプログラムを格納する、専用のコンピュータ又は汎用のパーソナルコンピュータによって実現されるものである。
制御部40は、吸着検知部41及び弁体駆動制御部42を備えている。吸着検知部41及び弁体駆動制御部42は、演算素子が所定のプログラムを実行することによって得られる機能である。
吸着検知部41は、第1圧力センサ20によって検出されるポンプ室4内の圧力(P1)に基づいて、第1逆止弁16における弁体と弁座の吸着を検知するように構成されている。弁体駆動制御部42は、吸着検知部41が第1逆止弁16における弁体と弁座の吸着を検知したときにのみ、第1逆止弁16の弁体駆動部を駆動して弁体を弁座から能動的に離脱させ、第1逆止弁16を強制的に開くように構成されている。
第1逆止弁16が正常に作動する場合、図2(A)に示されているように、一次側ポンプ2の吸入動作が開始されてポンプ室4内の圧力が負圧になると、第1逆止弁16が開いてポンプ室4内に液が流入し、一次側ポンプ2の吸入動作中はポンプ室4内の圧力が大気圧付近に維持される。
ところが、第1逆止弁16の弁体と弁座が吸着して正常に作動しなくなると、一次側ポンプ2の吸入動作が開始されてポンプ室4内の圧力が負圧になっても第1逆止弁16が閉じたままとなり、ポンプ室4内の圧力がさらに低下する。そこで、大気圧よりも少し低い値をしきい値として設定し、ポンプ室4内の圧力(P1)をしきい値と比較することで、第1逆止弁16の弁体と弁座が吸着しているか否かを判定することができる。
この実施例では、図2(B)に示されているように、第1圧力センサ20によって検出されるポンプ室4内の圧力(P1)が予め設定されたしきい値以下となったときに、吸着検知部41が第1逆止弁16における弁体と弁座の吸着を検知し、弁体と弁座の吸着が検知されたときに弁体駆動制御部42が弁体を能動的に駆動して第1逆止弁16を強制的に開放するように構成されている。
図3のフローチャートは、吸着検知部41及び弁体駆動制御部42によって実現される第1逆止弁16の駆動制御動作を示している。
制御部40には微少時間間隔で第1圧力センサ20の出力が取り込まれるようになっている(ステップS1)。吸着検知部41は、制御部40に取り込まれた第1圧力センサ20の出力を予め設定されたしきい値と比較し(ステップS2)、第1圧力センサ20の出力がしきい値以下であったときに第1逆止弁16の弁体と弁座の吸着を検知する(ステップS4)。弁体駆動制御部42は、吸着検知部41が弁体と弁座の吸着を検知したときにのみ、第1逆止弁16の弁体を能動的に駆動して第1逆止弁16を強制的に開放させる(ステップS5)。
なお、上記の動作において、吸着検知部41がしきい値と比較する「第1圧力センサ20の出力」は、制御部40に取り込まれた1つの出力のみを意味するのではなく、制御部40に取り込まれた直近の複数の第1圧力センサ20の出力の平均値であってもよい。また、吸着検知部41は、制御部40に取り込まれた出力が所定の回数だけ連続してしきい値以下となったときに初めて弁体と弁座の吸着を検知するようにしてもよい。
次に、第1逆止弁16の構造の一例について、図4及び図5を用いて説明する。
第1逆止弁16は、上方へ突起した凸部をもつT字型のバルブボディ43とバルブボディ43の下面に取り付けられた駆動機構70を備えている。バルブボディ43は内部に空洞を有し、その空洞に側面から液を流入させる液入口46が設けられているとともに、上端面に、液を流出させる液出口47が設けられている。
バルブボディ43の凸部の先端側から円筒形状のハウジング44が挿入されている。ハウジング44の内部には、バルブボディ43の液入口46から流入した液を液出口47へ向かって一方向へ流す直線状の流路が形成されている。ハウジング44の上端面にリング状のガスケット49が取り付けられ、そのガスケット49内側の貫通孔が液を流出させる液出口47となっている。
ハウジング44内部の空洞内に、下方から、弁座50、弁体52、弁座54及び弁体56がハウジング44の軸方向(上下方向)に並んで収容されている。弁座50及び54はハウジング44内の直線流路の一部を構成する円筒形状の部材である。弁座50及び54はその位置が固定されており、それぞれの上面開口部上にそれぞれ弁体52,56を着座させるものである。
弁座50と54の間にスペーサ53が介在している。スペーサ53は弁体52の外径よりも僅かに大きい内径を有する。弁体52は、スペーサ53の内側においてハウジング44の軸方向へ移動可能に配置されている。弁体56も弁座54の上方においてハウジング44の軸方向へ移動可能に配置されている。第1弁体、第2弁体としては、弁体52,56に代えて円錐プラグなど他の形状の部材を用いてもよい。弁座50、54は同一材料で構成されており、弁体52と56は同一材料で構成されている。
バルブボディ43は、ハウジング44の直下の位置にシリンダ部48を備えている。シリンダ部48は、永久磁石58が埋設された作動部60をハウジング44の軸方向(上下方向)へ移動させるための空間である。シリンダ部48の内部に作動部60が上下方向へ移動可能に収容されている。作動部60はピン62の基端を保持している。ピン62は弁体52に向かって伸びるように鉛直方向に配置されている。弁座50に弁体52が着座している状態において、ピン62と弁体52の間には、例えば0.4mm程度の隙間が存在している。シリンダ部48の底面として、例えばPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)などからなるシート65が設けられている。作動部60はシート65に支持されている。
弁体52と56の間にピン64が、ハウジング44の軸方向に沿って鉛直方向に配置されている。ピン64は弁座54の内側において上下方向へ移動可能に設けられている。ピン64の長さは弁体52と56の隙間よりも短く、弁体52が弁座50に着座し、かつ弁体56が弁座54に着座しているときに、ピン64と弁体56との間に、例えば0.3mm程度の隙間が存在する。
ピン64の断面形状は、図5に示されているように、弁座54の内径と略同一の外径を有する円形のうちの一部が欠損した形状になっている。これにより、ピン64が弁座54の内側で上下方向へ動作するときに、ピン64の軸が鉛直方向から傾くことがなく、弁座54の内周面とピン64とが局所的に接触して摩耗することが防止される。
さらに、ピン64は弁座54と同一の材質(例えば、サファイアやジルコニア)により構成されている。ピン64は弁座54の内周面と摺動するが、両者の材質が同一であることにより、一方側が著しく摩耗することが防止される。また、ピン62も弁座50と同一の材質(例えば、サファイアやジルコニア)により構成されており、一方側が著しく摩耗することが防止される。
また、ピン62と弁座50の間の摺動による摩耗、ピン64と弁座54の間の摺動による摩耗を防止するために、図7に示されているように、ピン62及び64の外周面にダイヤモンドライクカーボン(DLC)膜を形成してもよい。DLC膜は、弁座50及び54の内周面に形成してもよい。
ハウジング44の上端に取り付けられたガスケット49と弁体56との間にオモリ66が設けられている。オモリ66は例えばコイルバネからなる弾性部材68によって鉛直下方向へ付勢されている。これにより、常時、弁体56を弁座54側へ押圧している。
駆動機構70は、作動部60を支持するシート65の直下の位置に設けられた鉄心72と、その鉄心72の側面とは間隔をもって配置されたコイル74を備えている。コイル74に電流が流れると作動部60を通る磁場が発生し、作動部60がシート65から上方へ、例えば0.9mm持ち上がった状態となる。
作動部60が上方へ持ち上がった状態になると、図6に示されているように、ピン62が弁体52を上方へ押圧し、弁体52が弁座50から0.5mm持ち上げられる。弁体52が弁座50から持ち上がった状態になると、それに伴ってピン64が上方へ持ち上げられて弁体56を上方へ押圧する。これにより、弁体56が弁座54に着座した状態から0.2mm持ち上げられる。これにより、第1逆止弁16が開いた状態となる。
第1逆止弁16を開く際は、駆動機構70によって作動部60が上方向へ移動するように、永久磁石58と反発する方向の磁場を発生させることでピン62を開状態にし、弁体52をピン62によって上方へ押し上げ、弁体56をピン64によって上方へ押し上げる。したがって、弁体52及び56はそれぞれピン62及び64によって能動的に上方へ押し上げられるため、弁座50と弁体52との吸着や弁座54と弁体56とが吸着している場合にも、弁を確実に開くことができる。
逆に、弁を閉じる際は、駆動機構70が磁場を発生させないことで作動部60が自重によってシート65まで下降する。作動部60が下降すると弁体52が自重とピン64の荷重によって下降して弁座50に着座する。弁体56は、ポンプ室内が加圧されることによって、及びオモリ66による下方への押圧によって、弁座54に着座する。
作動部60、ピン6264、駆動機構70は、弁体52及び56を能動的に作動させるための弁体駆動部を構成するものである。
図3から図7を用いて説明した第1逆止弁16では、弁体52及び56を能動的に作動させようとすると、作動部60が動作して作動部60自体やピン62の摩耗が促進される。しかし、この実施例の送液装置1では、弁体52と弁座50との吸着及び/又は弁体56と弁座54との吸着が検知された場合にのみ駆動機構70が磁場を発生させて作動部60を駆動するので、作動部60やピン62の摩耗が最小限に抑制される。
1 送液装置
2 一次側ポンプ
3,23 ポンプヘッド
4,24 ポンプ室
6,28 ポンプボディ
8,30 クロスヘッド
10,32 プランジャ
12,34 モータ
14,36 送りネジ
16,26 逆止弁
20,39 圧力センサ
22 二次側ポンプ
40 制御部
41 吸着検知部
42 弁体駆動制御部
43 バルブボディ
44 ハウジング
46 液入口
47 液出口
48 シリンダ部
49 ガスケット
50,54 弁座
52,56 弁体
53 スペーサ
58 永久磁石
60 作動部
62,64 ピン
66 オモリ
68 弾性部材
70 駆動機構
72 鉄心
74 コイル

Claims (4)

  1. ポンプ室への液の吸入動作と前記ポンプ室からの液の吐出動作を行なうプランジャポンプであって、前記吸入動作の際の前記ポンプ室内の圧力が前記吐出動作の際よりも低下するプランジャポンプと、
    前記プランジャポンプの入口側に設けられ、球状の弁体と前記弁体を着座させるための弁座を有し、前記ポンプ室内の圧力に応じて前記弁体が前記弁座へ着座する方向と前記弁座から離脱する方向へ受動的に動作する逆止弁と、
    前記ポンプ室内の圧力を検出する圧力センサと、
    前記圧力センサにより検出される前記ポンプ室内の圧力と予め設定されたしきい値とを比較し、前記ポンプ室内の圧力が前記しきい値以下になったときに前記弁体と前記弁座との吸着を検知するように構成された吸着検知部と、を備えた送液装置。
  2. 前記逆止弁は、前記弁座に着座している前記弁体を前記弁座から離脱させる方向へ能動的に駆動するための弁体駆動部を有し、
    前記送液装置は、前記弁体駆動部の動作を制御するための弁体駆動制御部を備え、
    前記弁体駆動制御部は、前記吸着検知部が前記弁体と前記弁座との吸着を検知したときにのみ、前記弁体駆動部によって前記弁体を前記弁座から離脱させる方向へ能動的に駆動するように構成されている、請求項1に記載の送液装置。
  3. 前記弁体駆動部は、前記弁座の内側で動作可能に設けられたピン、及び前記ピンで前記弁体を前記弁座から離脱させる方向へ押圧するように前記ピンを動作させる作動部を備え、
    前記ピンのうち少なくとも前記弁座の内側と摺動する部分が、前記弁座と同じ材料で構成されている、請求項2に記載の送液装置。
  4. 前記弁体駆動部は、前記弁座の内側で動作可能に設けられたピン、及び前記ピンで前記弁体を前記弁座から離脱させる方向へ押圧するように前記ピンを動作させる作動部を備え、
    前記ピンの外周面又は前記弁座の内側面の少なくともいずれか一方にダイヤモンドライクカーボンによるコーティングが施されている、請求項2に記載の送液装置。
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