JPH0452410B2

JPH0452410B2 -

Info

Publication number: JPH0452410B2
Application number: JP58011602A
Authority: JP
Inventors: Ii Shumitsuto Kaaru
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Applied Biosystems Inc
Priority date: 1982-01-29
Filing date: 1983-01-28
Publication date: 1992-08-21
Also published as: IE822736L; IE54031B1; EP0085171B1; EP0234025A2; EP0085171A2; EP0085171A3; DE3278327D1; JPS58132663A; EP0234025A3

Description

【発明の詳細な説明】本発明は溶剤供給装置、時に、クロマトグラフ
カラムへ連続的に組成の変わる溶剤混合物を連続
的に転送するように適合された２つの同期的なピ
ストンを備えている供給装置に関する。

液クロマトグラフイーの分野における勾配溶剤
分析は、クロマトグラフカムへ溶剤容器から溶剤
混合物もしくは組成物を供給するための供給系、
要するに溶剤供給装置を改良する必要から生れ
た。しかしながら主な難点として、カラムへ小量
の溶剤を供給する間に溶剤組成を変化させるこ
と、安定した低パーセントの組成レベルを選択す
ること、カラムの圧力が変化する間にもカラムへ
の一様な流量を維持することがあげられる。今日
までこれらの要求は、いわゆる「プレポンプ勾配
システム（pre−Pump gradient system）」か又
は「ポストポンプ勾配システム（post−pump
gradient systems）」によつて同時に満たすこと
は困難だつた。

通例のポストポンプ勾配システムは各溶剤用に
独立のポンプおよびモータを備えている。各ポン
プの流量はポンプの各サイクル中に変化するの
で、２つの溶剤流が合流する個所において生ずる
組成変動を解消させるためにミキサーを必要とす
る。このようなミキサーを備えることは、装置が
大きくなると共に組成レベルを変えるのに要する
時間が増大するので望ましくない。別の問題とし
て、１つの溶剤組成物を生成するために粘性およ
び圧縮率の異なる複数の溶剤がしばしば使用され
るということがあげられる。溶剤組成物が変つた
場合カラム圧力が変り、この圧力の変化は１つ又
は複数の溶剤の流量の変化を惹起する。即ち、各
ポンプは同じ圧力変化のもとに働き、供給される
各溶剤の体積は圧縮率によつて左右されることに
なる。この結果各溶剤は異なる流量を有すること
になる。従つて溶剤組成物は常にわずかに誤差を
呈する。

通例のプレポンプ勾配システムは単一のモータ
およびポンプを備えている。溶剤組成物は低圧弁
によつて決定され、低圧弁の開放の程度または期
間が供給ピストンの再充てん行程の間に溶剤の組
合せおよび性質を選択する。この供給装置の固有
の欠点は、供給シリンダの再充てんを行なわせる
時間に関して相反する要求がみられる点である。
即ち、分離管への一様な流れを維持するためには
再充てん時間をできるだけ減少することが要求さ
れるが、再充てん時間の減少は溶剤選択弁を経由
する平均流量を増大させ、この結果、限定された
弁切替え時間によつて最小制御体積、ひいては最
小制御組成レベルが制限されることになる。

１つの実際的な解決策はパルス減衰器、別個の
ミキシング室、個々の溶剤組成物に合わせてプロ
グラミングされる弁に関する補正曲線を有する供
給装置を使用することになる。

以上の認識から、本発明の目的は、独立のミキ
サーを備える必要なく選択された溶剤組成物のほ
ぼ一様な供給流を維持する溶剤供給装置を提供す
ることである。

別の目的は、個個の溶剤流を制御する弁とは時
間的に無関係な溶剤供給装置を提供することであ
る。

さらに別の目的は、分離管へ供給するのに先立
つて一方のピストンから他方のピストンへ連続的
に固定のまたは連続的に変わる溶剤組成物を移送
されるように適合された２つの同期的なピストン
を有する溶剤供給装置を提供することである。

特許請求の範囲第１項に記載された本発明の構
成によれば、供給ポンプのピストンが前進行程を
開始する直前の供給ポンプのシリンダ内の圧力
は、メータリングポンプの吐出圧力を決定してい
る弾性の負荷手段の負荷圧力に基づいて常に一定
であるから、供給ポンプが吸引・吐出する流体の
量、即ち流体搬送量は、吐出側の圧力と流体の圧
縮率のみによつて決定される。例えば、吐出圧力
又は流体の圧縮率のいずれかでも増大すれば、そ
の増大の程度に応じて、供給ポンプの流体搬送量
は減少するのである。このような場合、メータリ
ングポンプにおいても、連結機構とメータリング
ピストン間の限定された遊び（ロストモーシヨ
ン）に基づいて流体搬送量が相応に減少する。こ
うしていずれにせよメータリングポンプは供給ポ
ンプと同一の流体搬送量を生ぜしめる。この流体
搬送量は、メータリングポンプの戻り行程時にピ
ストンが連結機構によつて実際に戻された距離と
一定の吸い込み圧力（流体源側の圧力に等しい）
とによつて特定される。そしてこの発明の構成に
よれば、この戻された距離は、電気スイツチ手段
とセンサ手段とによつて検出されるので、結局一
定圧力下の容積の計量によつて、前記流体搬送量
を正確に把握することができるのである。

次に図面に示した実施例について本発明を説明
する：符号１０でまとめて示す溶剤供給装置は供給シ
リンダ１４内を往復動する供給ピストン１２を備
えた容積形供給ポンプ１１と、メータリングシリ
ンダ１８内を往復動するメータリングピストン１
６を備えたメータリングポンプ１５とを備えてい
る。シリンダ１４と１８は互いに相対的に固定的
に配置され、往復動の各軸線は整列している。ま
た装置１０は供給ピストン１２の運動を駆動かつ
制御するための機構２０と共に供給ピストン１２
の運動へメータリングピストン１６の運動を受動
的に同期化するための機構２２も備えている。要
するに機構２２はヨークの形をしていてメータリ
ングピストン１６と供給ピストン１２との間で後
述するような形式でロストモーシヨン結合を形成
する。溶剤供給装置１０はさらに多数の溶剤源２
４又は溶剤容器Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄおよびこれら溶剤
源２４からメータリングシリンダ１８へ、メータ
リングシリンダ１８から供給シリンダ１４へ、供
給シリンダ１４からクロマトグラムカラム（図示
せず）へそれぞれ通ずる導管２６，２８，３０を
有している。したがつてポンプ１１と１５が導管
２８を介して流体が流れるように接続されてお
り、かつ互いにほぼ180゜の位相差で作動する。

図示の実施態様の場合、供給ピストン１２を駆
動し、かつ制御する機構２０は供給される各電気
パルスに応動して一定角度だけ回動するステツプ
モータ３２を備えている。ステツプモータ自体は
周知であるが、本発明の実施態様の場合このステ
ツプモータ３２は一回転当り400ステツプを有す
るよう設計される。この場合このステツプモータ
３２が毎秒当り5000パルスの最大周波数を有する
電気信号を供給されると有利である。これによつ
てステツプモータ３２は毎秒12回転半の最大速度
で回転することになる。電気信号は制御回路３４
によつて送られる。

シヤフト３６がこのようなステツプモータ３２
によつて減速装置（図示せず）を介して駆動され
て回転する。このシヤフト３６はカム３８とシヤ
フト位置インジケータ４０を備えている。シヤフ
ト位置インジケータ４０は信号を例えば変換器４
２を介して制御回路３４へ送る。カム３８は第１
Ａ図に示されているようにカム輪郭面４４を有し
ている。このカム３８はカムフオロワ４６と接触
しており、このカムフオロワ４６はカム３８の回
転運動を供給シリンダ１４内の供給ピストン１２
の直線運動に変換するように適合されている。供
給ピストン１２はカム３８に対するカムフオロワ
４６の接触を保つ負荷部材、例えば圧縮ばね４８
を備え、これは供給ピストン１２と供給シリンダ
１４との間で作用する。

なお、シヤフト位置インジケータ４０と協働す
る変換器４２からの電気信号は制御回路３４のた
めの供給ピストン位置インジケータとして利用す
ることができる。

既に述べたようにメータリングピストン１６は
機構２２によつて供給ピストン１２と同期化され
る。機構２２は図示の実施例では、シリンダ１
４，１８の整列した軸線に平行に延びていてこの
軸線に対して両側に等距離の端に位置した１対の
タイロツド５０，５０′と平行な横リンク５２，
５４とから構成された４角のヨークの形をしてい
る。リンク５２は各端部でタイロツド５０，５
０′の対応する端部と結合され、かつ中央部分で
供給ピストンのクランク端部上のトラニオン様構
造体５１に軸支されてカムフオロワ４６のための
軸を形成している。

リンク５４は端部において符号５３，５３′に
示されているようにタイロツド５０の対応する端
部に旋回可能に結合されており、したがつて中央
部分はピストン１２，１６の往復運動の一致した
軸線を横切る。メータリングピストン１６のクラ
ンク端部上の軸方向の延長部６２はリンク５４を
通つて延びていてこのリンクに軸支されている。
電気スイツチの１つの接点５８が延長部６２の自
由端にナツト６０によつて示されているように固
定されている。スイツチの他方の接点５６はリン
ク５４の接点５８に面した表面に取付けられてお
り、接点５８は横断面が延長部６２よりも著しく
大きい。したがつて延長部６２がリンク５４にお
けるジヤーナル内で第１図でみて左方へ移動する
ことは、導線６１を介して電気信号を制御回路３
４へ送るための接点５８と接点５６との接触によ
つて制限される。圧縮ばね６４または類似の弾性
の負荷部材がリンク５４とメータリングピストン
１６上のばね当接カラー１６′との間で作用して
ピストンとリンクとを接点５６，５８を閉じる方
向に押している。その逆方向への移動は圧縮ばね
６４のばね力およびメータリングシリンダ１８内
の流体の圧力によつて阻止される（これについて
は以下の記載でより明らかになるであろう）。こ
のようにヨーク２２は供給ピストン１２とは直接
的に機械的に結合しており、かつメータリングピ
ストン１６とはロストモーシヨン結合をしてい
る。

この構成および圧縮ばね６４の強さを適切に選
択することにより供給ピストン１２が内側への行
程、すなわち圧縮行程（第１図でみて右側への）
にあるときには接点５６と接点５８との接触がメ
ータリングピストン１６を従動させる。逆方向の
行程ではヨーク２２は供給ピストン１２と一緒に
左方へ移動するが、メータリングシリンダ１８は
作動流体、すなわち溶剤組成物で充てんされてい
ると考えて、メータリングピストン１６は、圧縮
ばね６４がメータリングピストン１６に対して当
接カラー１６′を介して及ぼす力がシリンダ内の
流体圧力を十分に上回るまで圧縮されて初めて内
側への（すなわち第１図でみて左側への）移動を
始める。実施例の場合100p.s.i（ポンド毎平方イン
チ）に設定されている。移動が始まる臨界点は操
作圧力と先行の行程でシリンダ１４を占めた個々
の溶剤組成物の圧縮率の関数である。より圧縮率
の大きな組成物ではメータリングピストン１６
は、溶剤の圧力が圧縮ばね６４のばね力を上回る
までより一層内側へ（左側へ）移動するであろ
う。この結果メータリングシリンダ１８から供給
シリンダ１４へ送られる流体の量は、先行の行程
で供給ポンプによつて排出された一定圧力下での
体積と等しく、しかもこれはヘツド〓間容積、送
出圧力および個々のさまざまな溶剤組成物の圧縮
率の相違とは無関係である。

逆方向の行程が始まると、すなわち供給ピスト
ンが内側への移動（第１図でみて右側へ）を開始
すると、ヨーク２２も同時に右側への移動を始め
るが、メータリングピストン１６は接点５６が接
点５８に係合するまで不動である。接点５６と５
８の係合はメータリングシリンダ１８への溶剤の
吸込開始を示す。電気スイツチ接点５６，５８の
閉成は導線６１を介して制御回路３４へこの吸込
開始の正確な瞬間を信号で伝える。この信号は第
２Ｃ図のt₂点に示されている。流入の終了が第２
Ｃ図のt₄点にマークされており、この時点におい
てカム３８はその高位点に達する。この高位点は
変換器４２によつて電気的にマークされる。これ
によつてメータリングシリンダへ流入する量は電
気的なアナログ値として得られ、これは、制御回
路３４によつて信号転移点t₂，t₄間にあるメータ
リングピストン１６の位置を表わすステツプ数か
ら計算される。このようにして導き出された量は
先行行程で供給シリンダ１４から送出された溶剤
混合物の100p.s.iでの量のアナログ値である。こ
のアナログ量信号の使用によつて制御回路３４は
例えば個個の溶剤容器Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの弁（第２
Ｄ図〜第２Ｇ図）を、ある１つの弁が開いている
間のステツプモータパルスの数（N_A）がt₂とt₄と
の間のステツプモータパルス数（N_T）に比して
所望の値N_Aとなるようにプラグラミングするこ
とができる。即ち％Ａ＝N_A／N_Tであり、生成さ
れた組成物はカラム背圧と無関係である。さら
に、N_Tの累積値は、供給シリンダ１４から送出
される組成物の100p.s.iでの総量のアナログ値で
ある。このアナログ信号が溶離ピークのためのカ
ラム保有量をきめるために使用される。

メータリングピストン１６が供給ピストン１２
よりもわずかに大きな直径を有していることによ
つて、たんに供給シリンダ１４の完全充てんが保
証されるだけでなく、接点５８，５６のしや断も
保証される。

以上述べたように導管２６，２８，３０は単一
方向であり、これは例えば各ボール形逆止弁６
６，６８，７０の組込みによつて達成され、これ
らは、導管２６が溶剤源２４からメータリングシ
リンダ１８への単一方向の流れを、導管２８がメ
ータリングシリンダ１８から供給シリンダ１４へ
の、かつ導管３０が供給シリンダ１４から分離管
（図示せず）への流れを収容する。

各溶剤源２４Ａ〜２４Ｄは電気的に操作される
各弁７２を介して導管２６と連通しており、弁７
２は導線７３を介して制御回路３４から制御信号
を受取り、これらの弁の開閉の時間および（また
は）程度は供給装置へ供給される溶剤混合物の組
成を決定する。この装置の操作の記述と関連して
より完璧に説明されるように弁７２は完全にメー
タリングピストン１６の吸込行程中に開閉され、
供給ピストン１４の再充てん行程中には開閉され
ない。したがつて供給ポンプの再充てん行程の期
間（無送出時間）はきわめて僅かに（全ポンプサ
イクルの小部分）することができ、しかも弁切替
速度、溶剤流量等による制限がない。供給ピスト
ンの再充てん行程のこの短い期間は第１Ａ図に示
されたようなカム３８の輪郭に反映されている。
以下の装置の操作の記述との関連でより完全に説
明されるが、第１Ａ図には再充てん行程がt₄とt₅
との間の30゜の角度間隔内で行なわれていること
が示されている。

次に第２図のダイヤフラムに従つて装置１０の
作業形式を詳述する：時に第２Ａ図中および第２Ｂ図中のt₁において
示されたように、供給シリンダ１４は液体量V_P
を保有しており、このV_Pは最大量である。メー
タリングシリンダ１８内の液体量V_Mは最小量で
ある。時点t₁において、供給ピストン１２がカラ
ム保有液を送出するためにポンプシリンダ１４内
へ入り始める。これに対してメータリングピスト
ン１６は当初のうち接点５６，５８間の間〓が狭
くなる間動かないまである。メータリングシリン
ダ１８内の圧力は接点５６が接点５８に接触する
時点t₂までは事実上一定のままであり、時点t₂に
達すると接続信号を生ぜしめ、同時にメータリン
グピストン１６の一様な戻りを惹起する。かくし
てメータリングピストン１６はカム４４がその高
位点を呈する時点t₄まで戻され、この結果メータ
リングシリンダ１８が完全に充てんされ、供給シ
リンダ１４は完全に空にされる。

次いで供給ピストン１２は引き戻され、メータ
リングピストン１６はメータリングシリンダ１８
内の溶剤を正圧で供給シリンダ１４へ時点t₄から
時点t₅の間送り込む。この、t₄からt₅の短かい間
隔は、第１Ａ図に示されているようなカム輪郭が
あたえられていることおよび第２Ｈ図に示されて
いるようなステツプモータ角速度曲線がプログラ
ミングされていることによつて生ずる。このよう
な２つの要素の組合わせによつて極めて短かい供
給シリンダ再充てん時間が得られる。また、この
供給シリンダ再充てん期間t₄〜t₅の間に、接点５
６は、メータリングシリンダ１８内の液圧がばね
６４によつて決められる値（100p.s.iに設定）と
等しくなるとばね６４を圧縮して接点５８から離
れる。この時点でカム角速度ωの減速が生じて所
望の液体流によつて定められる定常値に落ちつく
ことになる。第２Ｈ図はこの移行期がt₃で完了す
ることを示し、第２Ｃ図はメータリングポンプ１
５への溶剤の流入が安定であるt₆で始まることを
示す。

第２Ｄ図〜第２Ｇ図は期間t₂〜t₄中の各溶剤源
２４からの溶剤流を示している。溶剤源２４はす
べて同じ圧力下にあり、この圧力は比較的低く、
例えば約5p.s.iである。この圧力は、弁７２、導
管２６、入口逆止め弁６６を経由してメータリン
グシリンダ１８へ流れることによつて生ずる圧力
低下に比して著しく大きい。その結果として、メ
ータリングシリンダ１８への流入はメータリング
ピストン速度によつて定められる低い一様な流入
率で、しかも約5p.s.iの低い定圧のもとになされ
る。これによつて混合は一定した圧力および一定
した流量でなされ、カラム圧力低下とは無関係に
なされる。

実際には、入口逆止め弁６６は閉鎖前にわずか
だが一定限の逆流を生ずる。このような閉鎖時の
過渡現象による弁７２の損傷を防止するため、お
よび低レベル組成能力を改良するために、制御回
路３４は弁７２を次のように調整する。即ち、大
半の弁がt₂およびt₄の移行中開かれて、仮に期間
t₄〜t₅のほとんどにわたつて流出がないとしても
このt₄〜t₅の期間中開いたままであるように調整
する。これによつて常に１つの弁は開いているこ
とになる。また、メータリングシリンダ１８への
流入は時点t₂と時点t₄との中間寄りの時間相で開
くようにプログラミングされている各弁相互の移
行とは無関係である。このような理由のため、第
２Ｅ図、第２Ｆ図によつて示されているように制
御回路３４がt₂からt₄への再充てん期間の中間近
くで最小フラクシヨン溶剤弁を開放するのが望ま
しい。

以上述べた本発明の溶剤供給装置１０の主な利
点は、供給装置１０からカラムへの流れを示す第
２Ａ図中の破線によつて理解されるようにカラム
流がほぼ一定であることである。このことは液ク
ロマトグラフイーにおいて理想的である。メータ
リングシリンダ１８から供給シリンダ１４へ溶剤
組成物を転送する間にわずかに一様な流れからの
偏位が生ずるに過ぎない。このようなわずかな偏
位はメータリングシリンダ１８から供給シリンダ
１４へ溶剤組成物を転送するのに正圧をもつてす
ることによつて最小限にとどめることができたの
である。転送時間はステツプモータの動的な応動
特性に関連してきまる。

溶剤組成物の各成分の混合はたんにメータリン
グシリンダへの連続的な送り込みによるだけでな
く、供給シリンダ１４への転送によつても生ず
る。さらに、溶剤組成物が供給シリンダ１４から
送出される際にも混合が生ずる。従つて、溶剤組
成物は独立したミキサーを必要とすることなく申
し分なく混合されるる。

本発明は図示の実施例に限定されるものではな
く、種種異なる態様で実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の溶剤供給装置の概略図、第１
Ａ図はカムの平面図、第２Ａ図乃至第２Ｈ図は第
１図の装置各部の作用のダイヤフラムであつて、
第２Ａ図、第２Ｂ図はメータリングシリンダおよ
び供給シリンダの液量の経過を示す図、第２Ｃ
図、第２Ｄ図、第２Ｅ図、第２Ｆ図、第２Ｇ図は
それぞれ溶剤源からの溶剤供給経過を示す図、第
２Ｈ図はステツプモータの角速度曲線を示す図で
ある。１２……供給ピストン、１４……供給シリン
ダ、１６……メータリングピストン、１８……メ
ータリングシリンダ、２４……溶剤源、３２……
ステツプモータ、３４……制御回路、３６……シ
ヤフト、３８……カム、４０……シヤフト位置イ
ンジケータ、４２……変換器、４６……カムフオ
ロワ、４８……負荷部材、５０，５０′……ロツ
ド、５２，５４……ピストンリンク、５６，５８
……電気接点、６２……延長部、６４……圧縮ば
ね、６６，６８，７０……逆止め弁、７２……溶
剤容器弁。

Claims

【特許請求の範囲】１流体送出装置において、ａシリンダとこの中を往復動するピストンとを
備えた容積形供給ポンプが設けられており、ｂ上記ピストンを往復運動せしめるように操作
的に結合された、ステツプモータを含む駆動手
段が設けられており、ｃシリンダとこの中を往復動するピストンとを
備えた容積形メータリングポンプが設けられて
おり、シリンダが単一方向流体流の入口手段を
有しており、ｄ入口手段と複数の流体源との接続を制御する
ために選択的に電気的に操作可能な流体組成物
制御弁が設けられており、ｅメータリングピストンを供給ポンプピストン
とはほぼ180゜の位相差をもつて往復運動せしめ
るための連結機構がメータリングピストンと供
給ポンプピストンとの間に設けられていて、こ
の場合連結機構は、往復方向の限定された遊び
（ロストモーシヨン）をもつてメータリングピ
ストンに連結されるとともに、前進行程に際し
て弾性の負荷手段を介してメータンリングピス
トンに力をおよぼすようになつており、ｆメータリングポンプから供給ポンプへの流体
の転送を可能にするために２つのポンプの各シ
リンダを流体が流れるように接続した単一方向
流体流手段が設けられており、ｇメータリングピストンの戻り行程の開始時に
閉成される電気スイツチ手段が設けられてお
り、ｈメータリングピストンの戻り行程の終了時に
電気信号を発生するセンサ手段が設けられてい
ることを特徴とする流体送出装置。２駆動手段がステツプモータによつて駆動され
るカムを備えており、かつシステム制御回路がス
テツプモータと弁を制御するためにセンサ手段と
電気スイツチ手段から信号を受取るように電気的
に接続されている、特許請求の範囲第１項記載の
流体送出装置。３前記カムが、供給ポンプピストンの前進を惹
起するカム面の角度範囲が戻りを惹起するカム面
の角度範囲の数倍であるように形成されている特
許請求の範囲第２項記載の流体送出装置。４前記センサ手段が前記カムの角度位置を検出
する特許請求の範囲第２項又は第３項記載の流体
送出装置。５システム制御回路が、電気的に作動される流
体組成物制御弁をメータリングピストンの戻り行
程の間のみ開放するようにプログラミングされて
いる特許請求の範囲第２項から第４項までのいず
れか１項記載の流体送出装置。６システム制御回路が、供給ポンプピストンの
戻り行程の間のカムの角速度を加速するようにプ
ログラミングされている、特許請求の範囲第２項
から第５項までのいずれか１項記載の流体送出装
置。