JPH0348356B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体クロマトグラフイー等に使用され
る高圧定量ポンプの精度の改善に関する。

高性能液体クロマトグラフイーにおいて使用さ
れるような高圧ピストンおよびピストン／ダイヤ
フラム定量ポンプを多くの目的に使用する際の欠
点としてあげられるものには、その流量速度V〓
（単位時間当りに送り出される液体の体積）の決
定要因としてピストンストロークやピストン振動
数のみならずポンプ圧及び送り出される液体の性
質や各成分のパーセンテージまでが加わつてくる
という問題がある。これは送り出される液体の圧
縮率Ｓとポンプ構成部品の弾性とに起因する。所
謂ピストン／ダイヤフラムポンプとは、動作ピス
トンの運動が動作流体を介して可撓性のダイヤフ
ラムへ、そしてそこからポンプ室へと伝達される
という構造を持つものだが、この形式のポンプに
おいては更にその動作流体の圧縮性も流量速度に
影響する。上述の諸因子を考慮したポンプの動作
は以下のように説明される。

圧縮相においては、ピストンの有効ストローク
のうち、ポンプ圧によつて決まるある量が吸入さ
れた液体を先ずポンプ圧にまで圧縮するのに費や
される。かくして、そのポンプの実際の有効ポン
プ相は下死点からその駆動クランクの位相角₁
だけ遅れる。この位相角が₁になつた時点でポ
ンプの出力弁が開く。そして有効ポンプ相は、上
死点（位相角π）まで継続する。他方、吸入相は
上死点を過ぎても直ぐにはスタートせずに、位相
角が₂（＞π）になるまで遅れる。この遅延は減
圧相によつて引起される。この減圧相とは、ポン
プ室内に残つた液体が膨張し、またポンプ構成部
品から応力が除去されるまで続く相である。

圧縮および減圧相中におけるピストン運動にお
いて、液体の圧縮と膨張とに費されるそれぞれの
ピストンストロークは互に異なつている。それは
主としてそれぞれの相の始めでのポンプ室内にあ
る液体の体積の相違に起因するものである。下死
点すなわちポンプ室での圧縮相の初めには、ポン
プ室の容積はピストンストローク容積Ｖ＾ｄと有効
送出相の終了時にそのポンプ室に残つている残留
容積Voとの和である。従つて、送出圧ｐにまで
圧縮されるべき液体の体積はVo＋V^dである。他
方、上死点すなわち減圧相の始めでは、残留容積
Voのみがポンプ室内にある。かくして、送出圧
から吸入圧（大気圧未満）へと減圧されるべき液
体の体積はVoである。しかしながら、弾性体機
械部品および動作流体の影響は、圧縮および減圧
相中、等しい。それにもかかわらず、₂を既知
の₁から簡単に求めることはできない。その理
由としては、この２つの位相角₁，₂の比を決
定する要因として、ポンプにより圧送される液体
の圧縮率Ｓに対するポンプの機械部品の弾性率及
び動作流体の圧縮率の比が、更にはVoとV^dとの
比があげられるからである。液体の各成分の混合
比を変化させることがしばしばあるがこの場合、
その圧縮率Ｓは液体成分の混合比およびその性質
に依存すると同時に送出圧にも依存する。従つ
て、この変動量は既知であるとか実質的に一定で
ある、と仮定することはできない。このことにつ
いて、以下で更に詳細に説明する。

＜高性能の液体クロマトグラフイー＞では、得
られる分析結果の正確さがその流量の正確さによ
つてほとんど決まるので、流量速度の定常性に関
して、送出圧や送出される液体の種類および成分
には無関係に、極端に高度な要請がある。更に、
２つ又はそれ以上の異なる液体成分の混合比を時
間軸上で正確にプログラムすることがしばしば要
求される。

従来技術においても送り出される液体の圧力、
種類および成分には関係なく、高い背圧に抗して
規定された一定でかつ十分な再現性のある流量速
度を発生することの可能な各種の定量ポンプの構
成が知られている。大まかに言つて、従来技術に
よる解決法は以下で説明する６つのタイプに分類
できる。

１ このタイプの定量ポンプにあつては、適当な
測定装置でもつてそのポンプの入力又は出力流
を測定し、その測定装置の出力信号を予め決め
られている基準値と比較する。そして測定装
置、比較器、調整素子およびポンプからなる制
御ループを介して偏差に従つてポンプの設定を
修正する。かかる構成は、例えば米国特許第
3917531号およびドイツ国特許第2263768号に記
述されている。この種のポンプは、構成それ自
体が高価になることに加えて、通常では間接測
定法が使用されるので、校正を必要とするとい
う欠点もある。

２ このタイプの定量ポンプにあつては、ポンプ
の先の方の流れ抵抗の量とは無関係になる様に
圧力制御装置によつて送出圧を一定に保つ。か
かる構成の例は、1978年６月の出願にかかる
Varian Associatesの公告第03−913807−00号
に記述されている。かかるポンプ構成では、送
出圧の変動は流量速度に全く影響しなくなる。
しかし、送り出される液体の圧縮性の影響は回
避できないので、溶媒成分を変化させる分析で
は、その圧縮率の変動によつてある程度の流量
速度変化が引き起される。

３ このタイプの定量ポンプでは、出力弁の先で
ポンプ圧を連続的に測定し、その圧力信号から
ポンプ駆動用の制御信号を得る。この制御信号
を用いることにより、送出圧の上昇に際して
は、液体の圧縮度の増大を補償するためにその
ピストン振動数を増加させる制御（送出圧の低
下の場合も同様）を行う（ドイツ国特許第
2311016号を参照）。この方法は、各液体毎に制
御部を個別に調整（較正）しなければならず、
更に液体混合物の成分比を変動させる場合には
補償が不完全になるという欠点もある。

４ このタイプの定量ポンプは、動作の位相が互
にπだけずれている２つのポンプ室を持つ二重
ピストン型である。

このポンプでは各圧縮相毎に短時間の圧力急
降下があり、それは出力弁の先で測定される。
米国特許第4137011号によれば、ポンプの駆動
状態をこうした圧力降下に追随させるべく迅速
に制御することにより補償を行う。圧縮相の期
間には、ポンプを急峻に加速駆動することによ
り、その圧力降下を平滑する。かくして、ポン
プサイクル中の圧縮相部分、及び液体流に対す
るその影響は大いに減少される。付加メモリー
および調節装置を用いることにより、流れ抵抗
が変化しても圧力制御用の標準値は自動的に調
整される。この構成の場合、送出圧がかかつた
状態での流量速度V〓pは実質的に一定に維持さ
れる。しかしながら、特に液体クロマトグラフ
イーにおいては、その定量分析の結果に対して
直接影響するのは送出圧がかかつていない状態
に換算した（つまり、たとえば大気圧下での）
流量速度V〓oであるから、このV〓oが一定である
ことこそが望ましい。この２つの流量速度の関
係は、第一次近似として、下式の様になる： V〓p＝V〓o（１−Ｓ・ｐ） すなわち、V〓pを一定としても、送出圧ｐや
送出される液体の圧縮率ＳとによつてV〓oが変
動するという問題がある。

５ このタイプの定量ポンプでは体積の計量（一
定流量速度V〓oの発生）という目的と圧力発生
という目的とを分離する。この構成の例は、ド
イツ国特許第2612609号およびドイツ国特許出
願第2931017号に見られる。ここでは、ほとん
ど圧力のない状態で液体を送出する定量ポンプ
と高圧ポンプとの直列接続が開示されている。
一方の例では、高圧ポンプは、定量ポンプが送
り込んでくる液体の全量を加圧し、高圧ポンプ
の向こう側の流れ抵抗を克服するのに必要な圧
力にまで持ち上げるように設計されている。ま
た他方の例では、高圧ポンプを調節する制御部
を定量ポンプと高圧ポンプとの間に配置し、こ
れら２つのポンプ間にある液体の量を一定にす
る様な制御を行う。かかる構成のものは流量速
度V〓oを一定にするという要件を満たすが、少
なくとも定量ポンプと高圧ポンプとを必要とす
るため高価である。

６ 最後のタイプの定量ポンプにおいては、ポン
プ室の内圧とその出力弁の向う側での送出圧と
を測定し、この２つの圧力の差から制御信号を
作る。この制御信号により、２つの圧力間の差
が零である期間においては、ピストンが必要な
流量速度に応じた一定の線速度で駆動され、そ
の他の期間ではピストンが最高速度で駆動され
るようなポンプ駆動制御がなされる。（米国特
許第4180375号）。かくして、実際の動作圧下で
の流量速度の一定性については達成可能であ
る。しかしながら、この方法では、吸入弁の開
閉時刻の正確な検出ができないため圧力を除去
した状態に換算した場合の流量速度の一定性は
達成不能である。またポンプの吸入側に置く傾
斜調和装置の制御（以下参照）もできない。

さて、ここで傾斜溶離について説明しておく。
液体クロマトグラフイーにおける定量ポンプの更
に別な目的としては混合傾斜、すなわち、時間の
経過に従つて溶媒混合物の成分比が変化する様に
制御することがある。液体クロマトグラフイーに
おいて、これは傾斜溶離と呼ばれている。この傾
斜の度合いの関数の再現性および正確さに関して
は、流量速度に対するのと同様の厳しい要求があ
る。

この問題の解決法としては、技術的に複雑でし
かも高価で良ければ、各成分毎に流量速度をプロ
グラムできる個別の定量ポンプを使用するという
方法がある。これよりも大幅に低価格な別な解決
法では、ポンプの吸入側に送り込まれる成分が吸
入管内の定量弁のプログラム制御によつて吸入相
の期間中に切換えられるようになつている。勿
論、弁の制御プログラムでは、ポンプの減圧相を
考慮する必要がある。この点について上述の従来
例２のタイプのポンプ構成においては、入力弁は
ポンプの運転に同期して下死点から一定の位相角
だけ遅延して開くようになつている。弁制御サ
イクルの始まりは吸入弁の開く時刻と同期される
（ドイツ国特許出願第2649593号）。しかしながら、
上述の様に弁の開放遅れが常に一定であるため
に、この同期方法は、送出される液体の圧縮率Ｓ
が特定の値である場合にのみ正しい。

従来例２のタイプのポンプ構成については、米
国特許第4128476号に、この問題について以下の
様な解決法が開示されている。すなわち、これに
おいては圧縮相の期間の指標として、ポンプの出
力弁の先で測定された圧力の最小低下時における
上死点に対する相対位置を採用している。更に、
この測定された値は、圧縮相と減圧相との比を考
慮した定数にて逓倍される。このことは、測定さ
れた圧縮相の期間から定量弁の同期のため必要で
ある減圧相の期間を推定することを意味する。し
かしながら、この推定は、上で述べたように、送
出される液体が平均的な圧縮率を持つ場合にのみ
正しい。もしも、実際の圧縮率がこの平均値と異
なるとすると、ポンプ設計に依存して、その定量
弁の同期に誤りを生じさせることになる。

従つて、本発明の目的は、背圧や送出される液
体の性質には無関係にその流量速度を一定に保つ
ことができ、しかも前述の影響には無関係に正確
な傾斜溶離を発生できる一段階高圧定量ポンプを
提供するにある。

高圧定量ポンプのデユーテイサイクルは通常下
記の諸相より成る：液体がポンプ室へと吸入され
る吸入相、吸入された液体が送出圧まで圧縮され
る圧縮相、圧縮された液体の一部分がポンプ室か
ら送出される送出相、そしてポンプ室内に残つて
いる液体が吸入圧まで膨張される減圧相。本発明
によれば、かかる高圧定量ポンプは、送出される
液体の流量速度を調整してそしてそれを一定に保
つための制御手段と、そして圧縮相と送出相との
間の遷移点および／又は減圧相と吸入相との間で
の遷移点を検出するための検出手段とを含み、そ
こにおいて前記制御手段は、前記遷移の位相関係
から送出速度制御のための制御信号を作り出す。

本発明によると、デユーテイサイクル（クラン
ク軸の丁度一回転）中の減圧および圧縮相を測定
によつて知り、その結果から制御信号を作り出し
て送出圧とは無関係にそのポンプの流量速度を制
御する。減圧相部分を示す測定値（位相角₂）
を使用することにより、膨張した状態での（つま
り、送出圧を除去した状態での）液体の流量速度
V〓oが一定に保たれる。これにかえて圧縮相部分
を示す測定値（位相角₁）を使用することによ
り、送出圧にまで加圧された状態における液体の
流量速度V〓pが一定に保たれる。

減圧相を特徴づけている₂の値（具体的には
減圧相終了時点のクランク軸の角位置）から、ポ
ンプの制御入力弁を開く信号が作られる。入力弁
の作動は電気−機械的でも、また圧力媒体によつ
ても良い。しかし従来より、液体流によつて作動
する一般の弁（通常では、ボール保有弁）には汚
染や気泡の混入という性能上の問題のあることが
解つている。これに対して、外部から制御する入
力弁を用いれば、それは当然ながら、吸入相の初
めの時点（₂）と終りの時点（2π）に弁を開い
たり閉じたりするための制御信号を必要とするの
だが、この制御方式によれば液体流方式の様な問
題はおこらないのでポンプの信頼性を改善する上
で大いに有効である。更に、₂の値から同期信
号を作り出し、傾斜溶離を行う場合にその同期信
号により吸入管内の定量弁を正確に制御して圧力
及び圧縮率についての補償をすることができる。

またデユーテイサイクルの時間シーケンスの最
適制御は、定量弁の好ましい制御や液体流の脈動
の制動という観点で行うことができる。

デユーテイサイクル中の圧縮相の部分の位相角
₁と減圧相の部分の位相角₂−πとの間の比を
用いることによりポンプ動作の正常性の連続監
視、特に入出力弁の漏れおよび吸入相中における
ポンプ室での気泡の発生の検出が可能である。も
しもそのポンプの加圧側に脈動制動手段が設けら
れているならば、その平均の容積は、所定の流量
速度が与えられれば送出圧とは無関係に一定に維
持され、それによつて傾斜溶離を行う場合その混
合装置における混合比の変化は、常に一定の時間
だけ遅延して制動手段の出口に現われる。

以下では図面に基いて、先ず本発明の基本原理
を詳細に説明する。

第１図はピストンポンプの基本構成を説明する
図である。

第１図において、＝ωtは駆動クランクの角
位置（位相角）、ωは駆動クランクの角速度、Vd
はピストン容積変位、V^dはピストンのストロー
ク容積、Voは上死点時のポンプ容積である残留
容積、V〓oは圧力のかかつていない状態での液体
の流量速度、そして、V〓pはポンプ圧ｐにまで圧
縮された液体の流量速度である。第１図に示され
ているポンプは、周知のピストンポンプの基本構
成であり、ポンプシリンダー、入力および出力
弁、ピストン、そしてクランク駆動部が図示され
ているがここでの詳細説明は省略する。ここで容
積変位Vdは次式で表わされる。

Vd＝−0.5V^d（１−cos） この式のグラフの形状は第２図ａに示されてい
る。ピストンによりひきおこされる流量速度V〓d
は、 V〓d＝0.5V^dsin にて表わされる。ただし、上式が成立するのは
が₁π（送出相）あるいは₂2π（吸
収相）を満足する場合のみである。流量速度V〓p
のグラフは第２図ｂに図示されている。ここにお
いて、₁および₂は圧縮および減圧相の限界角
である。すなわち、圧縮相は０から₁まで継続
し、そして減圧相はπから₂まで継続する。ま
たこれを時間軸上で表現すれば、第２図に示され
る様に、ポンプサイクル（クランク軸の一周期）
をＴとして、それぞれ時刻t₁，t₂に対応する。

以前に述べたように、液体クロマトグラフイー
における応用では無圧液体の流量速度V〓oの一定
性が重要である。よつて以下ではこの流量速度
V〓oのみが検討される。勿論、圧縮液体の流量V〓p
も同様にして調整して一定に保つことができる。
なお、その際の調節に関しては、以下の式の導出
で、添字ｏを添字ｐに変え、また積分範囲や角度
なども送出相に対応したものに変えることで全く
同じ議論ができることは言うまでもない。

ポンプサイクルＴ中にポンプによつて吸入され
る液体の体積Voiは、 −Voi＝∫2π 20.5V^d sind ＝0.5V^d（cos₂−１） ここから、ポンプサイクルの周期Ｔにわたつて
平均された平均吸入流量速度V〓oは、 V〓o＝Voi／Ｔ＝0.5Vd／Ｔ（１−cos₂） かくして、規定された平均流量速度V〓oを得る
ために必要とするポンプサイクルの周期Ｔは次式
にて示される。

Ｔ＝0.5Vd／V〓o（１−cos₂）……(1) これは一定の平均流量速度V〓oを維持するため
の条件を示す式であるが、この条件式を使用する
ためには、位相角₂、すなわち減圧相の終りで
あつて入力弁が開放する時刻、を常に測定しなけ
ればならない。第２図ｃ乃至第２図ｅはそれぞれ
位相角についてのピストン室の内圧piとその第
１次および第２次時間導関数とを表わしているグ
ラフである。これらを用いて、位相角₁および
₂の測定法を以下で説明しよう。これらの図か
らわかる様に、内圧pi（適当な圧力センサで測定
する）の第２次導関数p¨i信号は、減圧相と吸入相
間の遷移時（₂）および圧縮相と送出相間の遷
移時（₁）において、符号変化を伴なう非常に
急峻な傾斜信号になる。この傾斜信号が生ずる時
刻を測定すれば、軸エンコーダを用いて各時刻で
のクランク軸の角位置（ｔ）がわかることから、
必要とされる位相角₁，₂を測定できる。

上述の様に、位相角₂はポンプ制御のための
条件式(1)のパラメータとして用いられる他、例え
ば２つの成分Ａ，Ｂの混合傾斜時に、ポンプの吸
入管内の定量弁制御用の同期化信号としても使用
される。以下でこの制御法を説明する。仮にポン
プの吸入側に接続される各成分Ａ，Ｂの供給容器
の定量弁が夫々位相角₂，₃で開くとする。（前
述の傾斜溶離の説明の箇所で述べた様に、位相角
₃において、成分Ａと成分Ｂを切換えるのであ
る） この時、混合物（Ａ＋Ｂ）における成分Ｂの平
均的百分率は次式の様になる。

％Ｂ＝cos₃−１／cos₂−１・100 （Ａ＋Ｂ）における規定された平均混合比％Ｂ
を得るために必要とする弁切換点（位相角₃）
は次式にて表わされる。

₃＝−arc cos〔％Ｂ（cos₂−１）／100＋１〕 ＋2π ……(2) これは２つの成分Ａ，Ｂに対する定量弁構成を
制御するのに必要な条件式であるが、３成分以上
に拡張できることは勿論である。

以下で図面に基いて本発明の実施例を詳細に説
明する。

第３図は、本発明の好ましい実施例の構成を示
しており、ポンプと、流量制御手段と、２つの液
体成分の混合比の制御手段とから成つている。

ここでピストン／ダイヤフラム・ポンプ１１は
従来の出力逆止弁と外部から制御される入力弁１
２とを持つている。またポンプ１１はクランク軸
１５を介してステツプモータ１３によつて駆動さ
れる。クランク軸１５の角位置は軸角度エンコー
ダ１７によつて検出される。ステツプモータ１３
は駆動回路１９によつて駆動される。

温度制御回路２３（詳細については以下におい
て述べる）を持つ脈動制動器２１が、ポンプ１１
の出力側に設けられている。ポンプ１１の入力側
には、２つの液体成分Ａ，Ｂ用に夫々定量弁２
５，２７がある。ポンプ１１の内圧は圧力検出器
２９によつて測定される。

圧力検出器２９は圧力信号発生器３１に接続さ
れており、圧力信号発生器３１は、微分回路３３
および３５そして零交叉検出器３７を介して、相
遷移検出器３９に接続されている。また軸角度エ
ンコーダ１７は角度信号発生器４１に接続されて
おり、角度信号発生器４１は死点検出器４３に接
続されている。評価兼制御回路４５，４７，４９
および５１は前述の検出器および信号発生器３
１，３７，３９，４１および４３からの選択され
た信号を受信し、そして表示信号および制御信号
を送出する。ピストン／ダイヤフラム・ポンプ１
１内圧pi（ｔ）についての動的測定は動作液体内
部で、或はポンプ室内で直接的に行なわれる。こ
こで用いられる圧力センサは小量の残留容積を持
ち、また十分に高い共振周波数（例えば、約５〜
10Hzのポンプ・ストローク周波数に対して5KHz
以上）を持つ溶接されている検出膜を持つ。

クランク軸１５の角位置（ｔ）の測定は、好
ましくは光電式でかつ１：500以上の目盛円分解
能を持つている軸角度エンコーダー１７によつて
測定される。下死点（圧縮相の始まり）は＝０
と規定される。圧力信号pi（ｔ）は圧力信号発生
器３１によつて増幅されそして微分回路３３およ
び３５によつて二度微分される。第２次導関数p¨i
（ｔ）から、位相角₁および₂に対応する時刻
が、零交叉検出器３７によつて得られる。この検
出器はエツジ・トリガー検出器でも良い。この時
刻によつて、相遷移検出器３９が、角度信号発生
器４１の出力信号を用いて位相角₁および₂を
導出する。

評価兼制御回路４５はポンプ１１のステツプモ
ータ１３を制御する。流量速度Voおよび₂につ
いての所定の標準値から、制御条件式(1)に従つ
て、クランク軸が一回転する時間Ｔを求める。と
ころでこの条件式(1)はクランク軸が位相角０から
2πまで一回転する間における運動の種類に関し
た要件を含んでいないので（つまり、＝ｆ（ｔ）
とすれば、ｆ（ｔ）は別にωtである必要はなく、
任意の単調な関数であつて良い）、この運動は、
定量弁２５および２７の制御および脈動制動に好
都合になる様に最適化可能である。この最適化
は、具体的には以下の様にして行う。先ずポンプ
サイクルの周期Ｔを２つの時間間隔To，π及び
Tπ，2πに分割する。すなわち、 To，π＋Tπ，2π＝Ｔ ステツプモータ１３のステツプ周波数f^sは、こ
この２つの時間間隔を使つて、位相角が〔０、
π〕、〔π、2π〕の区間の各々について下記の様
に表現される。

f^sｏ，π＝Ｎ／2To，π及びf^sπ，2π＝Ｎ／2Tπ，2
π 上式で、Ｎはステツプモータの一回転に要する
ステツプ数である。

周期ＴのTo，πおよびTπ，2πへの分割（配
分）は以下の様になされる。

Cminを混合物成分Ａ，Ｂの一方の成分の所望
の最小濃度、またt_vnioを定量弁でもつて実現可能
な最短開放時間とする。すると定量弁の信頼性の
ある動作を得るために必要な時間間隔Tπ，2πの
最小値は以下の様にして求められる。

Cmin＝［−∫⁺△V〓d d］／V^d ＝１／２［cos（＋△）−cos］ ここで△は再短開放時間t_vnioのクランク軸の
回転角であり △＝π・t_vnio／Tπ、2π と表現される。また₂2πである。△は
充分小さいから Cmin＝−(△sin)／２＝π・t_vnio／2Tπ、2πsin
これより最悪ケースは＝３／２πのときだから、 Tπ，2πの最小値は以下の様になる。

Tπ，2π＝π・t_vnio／2Cmin ……(3) 他方、脈動制動の最適化に関しては、できるだ
け時間間隔To，π（これは送出相を含む）が長い
ことが望ましい。かくして、Tπ，2πは、常に式
(3)に示した最小値をとるように選ばれる。以上を
まとめると、ステツプモータ駆動制御のための条
件式は以下の様になる。

To，π＝0.5Vd／V〓o（１−cos₂）−π・t_vn
io／2Cmin及びf^sｏ，π＝Ｎ／2To，π……（1a） Tπ，2π＝π・t_vnio／2Cmin及びf^sπ，2π＝
Ｎ／2Tπ，2π……（1b） 動作条件を上の様にとれば、全サイクルの一部
である吸入相の継続時間は常に、その定量弁の十
分に正確な動作が保証されるだけ長い。そして、
その送出相の部分をできるだけ長く取ることによ
り液体流の脈動制動を良好にする。特にもしも流
量速度が小さいとすると、周期Ｔが長くなるので
特に有効である。

評価兼制御回路４５は、時刻t₂において入力
弁１２を開くための信号と、時刻toにおいて入力
弁１２を閉じるための信号とを送出する。

評価兼制御回路４７は、定量弁２５および２７
の制御、すなわち、液体成分ＡおよびＢの混合比
又は混合液（Ａ＋Ｂ）中の成分Ｂの体積濃度の百
分率％Ｂをそれぞれ制御する。まず初めに、信号
（ｔ）からクランク軸が上死点を通過する時刻
tπを検知する。そしてこの時刻tπにおいて、定量
弁２５を開き、また一方では定量弁２７を閉じ
る。式(2)の制御条件に従つて、₂と体積濃度％
Ｂの基準値とから、₃の値並びに（時刻−角位
置の関数（ｔ）により）弁切換時刻t₃を得る。
そしてこの時刻において、定量弁２７を開き、ま
た定量弁２５を閉じる。

評価兼制御回路４９はポンプ弁などにおける故
障を検出するため比₁／₂−πを計算する。この比 の値はポンプの設計によつて決まる或る範囲内に
なければならない。もしもこの比の値が所定範囲
の上限を越えた場合、すなわち、その送出相が予
定よりも短かく、そして／又は吸入相が予定より
も長いとすると、それは、吸入された液体に気泡
が含まれているか又は入力弁の閉鎖状態が不良で
あることを示す。もしも比の値が所定範囲を下回
つたとすると、それは出力弁の閉鎖状態が不良で
あることを示す。そこで、評価兼制御回路４９は
適当な故障表示を出力する。

評価兼制御回路５１は、何回かのポンプサイク
ル（例えば、ｎ＝５）中に生ずる平均送出圧か
ら、脈動制動器２１の制動容積室における圧力補
償のために必要な温度を計算する。これは次の様
な事情によるものである。

定量ポンプの液体流の等化（脈動制動）のため
には、流路中に空室を持つ装置を設け、液体がそ
こを通つて流れる様にし、且つその空室の容積が
送出圧の増加に比例して拡大し、送出圧の減少に
比例して減少する（すなわち△Ｖ＝C△_p）様に
構成するのが普通である。かかる装置は電気的な
キヤパシタに等価な水力学的装置である。この様
な従来方式の装置を液体クロマトグラフイーのポ
ンプに使用した場合、ポンプの吸入側でのプログ
ラム可能な混合傾斜時には以下の問題が生起す
る。すなわち、圧力上昇にともなう前述の容積の
増加が大きいため、混合液の成分構成のプログラ
ム状態と制動装置の出力側で見たその実際の値の
変化との間でかなり大きな時間遅れを生じてしま
う。この問題は低流量速度の場合特に顕著であ
る。更に、流れ抵抗が変動するとこの時間遅れも
変動するため、分析結果の再現性を悪化させる。

第４図は、第３図の構成において採用されてい
る脈動制動器２１の詳細図である。送出された液
体が流れる制動容積室６１は、弾力性のある鋼製
のダイヤフラム６３によつて、耐圧ハウジング６
５とダイヤフラム６３との間に収容されている弾
性液体６７から分離されている。液体６７は圧縮
率Ｓ（ｐ）および熱膨張係数γを持つている。ダ
イヤフラム６３は、入口および出力穴７１を持つ
２つの球状の支持部６９によつて過大応力（動作
不良の場合に）に抗して支持される。制動容積室
６１内の圧力が増大するにつれて、収容されてい
る液体６７は圧縮されるため、ダイヤフラム６３
はその液体６７側に屈曲して、それにより制動容
積室６１を拡張させる。これは、その拡張した容
積が高々１ポンプサイクル中にポンプによつて送
出される液体体積に相当する限り望まれている効
果である。すなわち、この場合の脈動制動器２１
の動作は、まず送出相中にそのポンプによつて送
出される体積の一部分を蓄え、そのポンプサイク
ルの残りの（“非−生産的”）期間内に、先程蓄え
た体積部分を放出する。従来例とは異なり、本実
施例でのダイヤフラム６３の可能な運動範囲は、
支持部６９があるため、通常蓄えられる容積の約
４倍の範囲に制限される。又、従来例とは異なつ
て、収容されている液体６７の温度Ｈを極めて迅
速に制御することにより（遷移時間は最大１〜２
分）、ダイヤフラム６３は平均的ポンプ圧とは
無関係に実質的にその中立位置を中心に往復運動
する。この制御は次式で示される関係に基いて行
われる。

Ｈ＝１／γ∫^P ₀Ｓ（ｐ）dp ……(4) このために、第４図に図示されている脈動制動
器２１は温度センサー７３とペルチエ加熱／冷却
素子７５とを含んでいる。更に、その脈動制動器
全体は断熱被覆物７７内に収容されている。

評価兼制御回路５１（第３図）は制動容積室６
１の圧力補償のために必要とされる温度の粗近似
のため式(4)を使用する。この温度についての微調
整は、次の点に着目してなされる。すなわち、
₁とπとの間で測定された圧力の残留脈動分p^iが
最小に到る時点での温度が圧力補償に必要とされ
る正確な温度なのである。この温度においては、
ダイヤフラムは充分に自由に運動できるため、ポ
ンプがサイクル毎に送り出す体積を制動容積室内
にすばやく受入れることができる。従つて、評価
兼制御回路５１は先ず平均送出圧を以下の式に
基いて求める １／ｎ 〓⁽ⁿ⁾ （１／tπ−t₁∫tπ t1pi dt）＝ ただし、ここでtπ，t₁は夫々π＝（tπ），₁
＝（t₁）を満足する時刻である。

この結果から、式(4)を用いることにより、第一
次近似温度すなわちＨ（粗）が得られる。更に圧
力の残留脈動分p^iは下式の様に表現できる。

pitπ＝pit₁＝p^i これから、p^iが最小値を越えてふたたび上昇す
るまで温度Ｈの微調整が行われる。この微調整が
うまくいく様、温度Ｈ（粗）の選択は、制動容積
室６１内の圧力が最適制動条件よりも高くなる様
に設定される。それに続いて、微調整によつて最
小脈動p^iminが調整され、そして最小脈動p^imin
を与える温度である標準温度値が記憶される（つ
まり、p^iの“谷”を与えるのが標準温度）。もし、
平均圧力がその後に変化したとすると、新しい
標準温度値が式(4)とその後の上述のプロセスに従
つて得られる。かくして、このシステムは最適制
動に必要な温度を自己較正するので、温度測定お
よび制御構成の絶対的正確さは要求されない。

【図面の簡単な説明】

第１図はピストンポンプの基本構成を説明する
図、第２図はピストン室の容積変位、流量速度、
圧力、圧力の第一次導関数及び第二次導関数のグ
ラフ、第３図は本発明の実施例の構成図、第４図
は第３図中の脈動制動器の詳細図である。 １１：ピストン／ダイヤフラム・ポンプ、１
２：入力弁、１３：ステツプモータ、１５：クラ
ンク軸、１７：軸角度エンコーダ、２１：脈動制
動器、２９：圧力検出器、３１：圧力信号発生
器、３３，３５：微分回路、３８：零交叉検出
器、３９：相遷移検出器、４５，４７，４９，５
１：評価兼制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 圧縮可能な流体をポンピングするとともに、
   前記ポンピングの動作は吸入相と圧縮相と送出相
   と減圧相とを有し、以下の(A)ないし(G)を設けたこ
   とを特徴とする高圧定量ポンプ： (A) 前記液体を含むチヤンバ； (B) 前記チヤンバ内に摺動可能に組み込まれ、前
   記液体に内圧を生起させるピストン； (C) 前記ピストンに結合され、前記ピストンを前
   記チヤンバ内で往復運動させる駆動手段； (D) 前記ピストンに結合され、前記ピストンの瞬
   間角度位置を測定し、前記位置を示す角度信号
   を発生するエンコーダ手段； (E) 前記チヤンバに結合され、前記チヤンバの内
   圧を測定し、前記内圧を表わす圧力信号を発生
   する圧力検出器手段； (F) 前記エンコーダ手段と前記圧力検出器手段に
   結合され、前記角度信号と前記圧力信号を受け
   取つて、前記減圧相と前記吸入相との遷移が起
   こる吸入角を判定する論理手段；および (G) 前記論理手段と前記駆動手段に結合され、前
   記吸入角を受け取り、これに応答して吸入流量
   速度の平均が実質的に所望の値に維持されるよ
   うに前記駆動手段をして前記往復運動の周波数
   を変化させる制御手段。