JPH087196B2 - 液体クロマトグラフ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、分離カラムに所望の流量で送液するための
マルチピストン型往復ポンプを具え、各ピストンはその
送出し工程中に他のそれぞれのピストンと同じ流量で送
液するよう配置され、これらのピストンは重なった送出
し工程を有するように配置され、かつ制御装置によって
速度が制御されているモータによって駆動される液体ク
ロマトグラフに関するものである。

液体クロマトグラフィーに使用する装置、特に高性能
液体クロマトグラフ（HPLC）では、ポンプへの入口で溶
媒変化が起こってもカラム流入液における流れ／圧力の
脈動が極めて小さくなるように、代表的な例では1ul〜3
0ml/分である最小内容積の範囲を包含する流れ能力を有
している必要がある。これは、大部分の検出装置の安定
性がこのような脈動によって悪影響を受けるからであ
る。また、ポンプはすべてのカラムを通る所要の溶媒の
流れを使用できるようにするのに十分な圧力で送出する
ことができる能力を有している必要がある。吐出圧は代
表的な例では５〜400バールの範囲であることがあり、
代表的な例では50〜150×10^-6／バールの圧縮比を有す
る種々の溶媒を使用することがある。

HPLCに使用するために種々のポンプ輸送装置を入手す
ることができ、これらの装置はそれぞれ利点および欠点
を有する。本発明は往復ピストンポンプを使用するクロ
マトグラフに関するものである。このようなポンプは単
ピストン型ポンプとマルチピストン型ポンプとに分ける
ことができる。単ピストン型ポンプは機械的に簡単であ
るという利点を有しているが、送出された液体の流れ／
圧力の脈動を小さくするのが比較的困難である。マルチ
ピストン型ポンプを使用する場合には、理論的には、１
個のピストンが常に送出しを行っているように配置する
ことができ、従って脈動が小さくなる。しかし、使用さ
れる高圧のために、ポンプ内の液体および圧力性物質は
可成り圧縮され、従ってピストンの送出し開始時期を単
にピストン位置から決めることはできない。これは、送
出し開始前にある程度の予備圧縮が起こり、従って一方
のピストンが送出しを止めた後に他方のピストンが送出
しを開始する際に圧力低下が起こるからである。この予
備圧縮は使用した特定の溶媒および装置圧力によって変
動する。この問題を軽減する１つの方法は、ポンプ出口
の圧力を監視し、圧力が低下した際にモータ速度を上昇
して、ポンプによって流れが生じない時期をできるだけ
短くし、従って圧力低下および脈動の大きさを小さくす
ることである。しかし、これにはポンプを駆動するため
に複雑な制御装置が必要である。

英国特許出願公開第2085980号公報は、モータ速度を
連続的に変えて送られてくる液体の圧力を各期間中に少
なくともほぼ一定にする調整装置を具える冒頭に記載し
た液体クロマトグラフを開示している。

英国特許出願第8523014号明細書は、制御装置は、ｍ
個のピストンがカラムに送液している第１期間中に第１
の一定速度でピストンを前進させるよう第１の一定値を
有し、（ｍ＋１）個のピストンがカラムに送液している
第２期間中にピストンを第２の一定速度で前進させるよ
う第２の一定値を有し、第２の一定速度が第１の一定速
度のm/（ｍ＋１）倍である制御信号（ただし、ｍは整
数、（ｍ＋１）はポンプに設けられている全ピストン数
より小さいかあるいは等しい整数を示す）を発生するよ
うに配置されている冒頭に記載した液体クロマトグラフ
を開示している。

ピストンの送出し工程が重なるように配置することに
より、ピストンが送出しを行っていない期間はなくな
り;m個のピストンが送出しを行っている第１期間および
（ｍ＋１）個のピストンが送出しを行っている第２期間
のみが存在し、前進速度を一定にすることにより、第２
期間中に単にピストンの前進速度を（ｍ＋１）/mで割る
ことによって比較的一定の流れ、従って一定の送出し圧
力を達成することができる。従って、第２期間の開始お
よび終了を決めることができる場合には、比較的簡単な
制御装置を使用してピストンの前進速度を制御すること
ができ、単に前進速度を適当な数で割ることが必要であ
るにすぎない。

これは英国特許公開第2085980号公報に開示されてい
ることとは対照的である。この公報のクロマトグラフで
は、ピストンはカムが一定の角速度である場合に一定の
線速度では前進しないので、一定の流量を得るにはカム
速度を連続的に変える必要がある。この結果調整装置が
可成り複雑になる。

英国特許出願第8523014号明細書に開示されているク
ロマトグラフでは、第２期間の開始は前記ポンプによっ
て送出される液体の圧力を監視することによって検出さ
れ、液体圧力の増加は第２期間の開始を示す。

これは（ｍ＋１）個のピストンが送出しを行っている
第２期間の開始を正確に示し、増加する圧力が検出され
た時期を用いてピストン前進速度を割ることができる。
（ｍ＋１）個のピストンが前進を開始する時期は容易に
検出することができるが、この時期を用いて前進速度を
制御することはできない。これは、高い送出し圧力で
は、送出し開始前にシリンダ内で液体の予備圧縮が可成
り起こるからである。予備圧縮の程度はポンプ輸送する
特定の溶媒（溶媒は連続的に変えることができる）およ
び送出しが行われている圧力（この圧力はカラム抵抗お
よび流量によって左右される）によって決まる。さら
に、実際の圧力を監視することは不必要である。これ
は、単にピストンの前進速度をm/（ｍ＋１）で割ること
によって流量が所望の値に戻ることが知られているから
である。

しかし、ある装置を使用する場合には、液体の圧縮比
とカラムおよび液体系の他の部分のコンプライアンス
（compliance）とによって圧力増加が比較的緩やかにな
り、従って速度変化時期が遅延する。これはある圧力限
界（pressuere margin）が圧力変換器からの信号におけ
るノイズによって起こる速度変化を回避できるようにす
る必要があるからである。このような速度変化は液体流
量に望ましくない変動を起こす。

本発明の目的は圧力の脈動の比較的小さい流出液体の
流れを生成することができる比較的簡単な制御装置を有
するポンプを具えた液体クロマトグラフを提供すること
にある。

本発明は、制御配置は、ｍ個のピストンが前記カラム
に送液している第１期間の全体にわたって第１の一定速
度でピストンを前進させ、（ｍ＋１）個のピストンが前
記カラムに送液している第２期間の全体にわたって第２
の一定速度でピストンを前進させ、第２の一定速度が第
１の一定速度のm/（ｍ＋１）倍である制御信号（ただ
し、ｍは整数、（ｍ＋１）はポンプに設けられている全
ピストン数より小さいかあるいは等しい整数を示す）を
発生するように配置されており；前記制御装置は各ポン
プサイクルにおけるポンプの送出し圧力を監視する手
段、およびあるサイクルにおけるピストン速度変化時期
を前のサイクルで圧力増加が検出されている場合には前
進させあるいは前のサイクルで圧力低下が検出されてい
る場合には遅延させる手段を具えることを特徴とする冒
頭に記載した液体クロマトグラフを提供する。

ここに、「前進」とはサイクルの比較的早い時期に速
度変化が起こることを意味し、「遅延」とはサイクルの
比較的遅い時期に速度変化が起こることを意味するもの
とする。

第２期間の終了はこれらのピストンの位置を監視する
ことにより検出することができる。ポンプ出口における
圧力変化を検出してこれらのピストンのうちの１個が送
液を止める時期を確認する必要はない。これは、この時
期がピストンの位置から正確に分かるからである。ピス
トンの後退中におけるシリンダの充填はシリンダとシー
ルおよび他の変形可能な部分との両方に残っている液体
の減圧（decompression）によって影響されることがあ
るが、上述の送出しサイクルの終了時には液体の予備圧
縮に関する問題はない。

制御配置はポンプサイクルにおける所定の点と一致す
るように発生させた中断信号に反応するよう配置された
マイクロプロセッサを具えることができる。

従って、必要な計算は、必要な測定を行ったかあるい
は必要な処置を行ったことが分かっている場合には、ポ
ンプサイクルにおける所定の位置に関係する時期に行う
ことができる。

中断信号は各ピストンの送出し工程の開始時、各ピス
トンの送出し工程の終了時、およびピストンの速度変化
時期に発生することができる。

軸エンコーダは前記モータによってポンプと同期させ
て駆動し、前記軸エンコーダから１つの中断を引出すこ
とができる。前記軸エンコーダはシングルカットアウト
を有するディスクおよび光学式検出器を具える。

この場合には、各ポンプサイクル中に一度中断サイク
ルとポンプサイクルの実際の位置とを同期させることが
できる。そうでない場合には、たとえば、ポンプを駆動
するステップモータに不適当なステップパルスが供給さ
るために、中断がポンプサイクルと同期しないことがあ
る。またスイッチオンした時のポンプサイクルにおける
点を簡単に検出することができる。

ポンプは電気的ステップモータによって駆動され、制
御装置は前記ステップモータを駆動するための駆動回路
に供給されるステップパルプを発生することができ、前
記中断信号のうちの少なくとも若干は前の中断以降に発
生したステップパルス数を計算した結果として発生する
ことができる。

この場合にはすべての中断を軸エンコーダによって発
生させる必要が回避される。軸エンコーダは製造段階に
おけるポンプの設置を一層複雑にするほか、軸エンコー
ダがポンプサイクルの各部分と一層正確に同期すること
が必要になる。

制御装置はプログラム可能なカウンタを具えることが
でき、マイクロプロセッサは各中断が起こった場合に次
の中断信号によって後で所定数のステップパルスを発生
させる出力が生じるようにカンウンターをプログラムす
るよう配置されている。各ピストンの送出し工程の開始
時に発生する中断信号は、次のピストンの送出し工程の
開始後に速度変化時期の計算を開始させることができ
る。

速度変化時期は圧力上昇又は圧力低下の大きさに比例
する時間によって前進又は遅延させることができ、ステ
ップモータを使用してポンプを駆動する場合には、速度
変化時期はステップモータのkM_pステップ（ただし、ｋ
は定数、M_pはポンプ出口における圧力上昇または圧力低
下の大きさを示す）によって前進又は遅延させることが
できる。

この場合には、正しいモータ速度変化時期に一層迅速
に接近（convergence）させることができる。定数ｋの
値は接近速度と安定性との間に最善の妥協が成立するよ
うに選定することができる。

制御装置は、流量が増加した場合には次のポンプサイ
クルにおけるピストン速度変化時期を流量変化によって
決まるファクターによって遅延させ、流量が減少した場
合には次のポンプサイクルにおけるピストン速度変化時
期を流量変化によって決まるファクターによって前進さ
せるよう、作動させることができる。

この場合には、流量変化の影響を予知することによ
り、正しい速度変化時期に接近するのに要する時間が短
くなる。

第２期間は、流量が増加した場合には一層早い時期
に、送出し圧力が上昇した場合には一層遅い時期に終わ
ることができる。

これにより、モータの速度変化（２倍にする）とこの
変化の影響との間に要する時間が、異なる作動条件下
に、特に異なる流量および送出し圧力の場合に、圧力記
録に反映されるような慣性の影響を補償することができ
る。

モータはカム装置を介してピストンを駆動することが
できる。カム装置は各ピストンに対してそれぞれ１個の
別個のカムを具えることができ、これらのカムは共通軸
上に取付けられているかあるいは共通の軸と一体に形成
されている。

各ピストンに対してそれぞれ１個の別個のカムを具え
ているので、これらのピストンを水平に対向させてでは
なく並列に配置することができる。この場合にはカラム
に供給するための各シリンダにおける液体出口を連結す
るのに必要な連結手段の機械的配置が簡単になる。１個
より多くのピストンを有する場合には各ピストンの充填
行程の設計を一層融通性の大きなものにすることができ
る。

カムはその一定の角速度が一定の送出しピストン線速
度を生じるような形状にすることができる。

この場合には制御装置を簡単にすることができ、制御
装置は単に何個のピストンが送出しを行っているかによ
って決まる２種の値の一方においてモータ速度が一定で
あることを保証する必要があるだけである。カムの形状
がこのように形成されていない場合には、モータ速度を
変えてカム特性を保証する必要がある。これはプログラ
ムしたメモリー、例えばプログラマブル読出し専門メモ
リー（PROM）を使用して達成することができ、PROMには
一定のピストン前進速度の達成を可能にするのに必要な
カム角度に対する速度補正の表現を記憶させる。この結
果、制御装置はPROMの内容によってカム特性に対する補
正が行われている一定の出力信号を発生することができ
るので、簡単な制御装置を使用することができるが、製
造段階においてあるいはカムを取換える場合に設置操作
が必要になる。

第２期間の終了は前記ピストンの位置を監視すること
により検出することができる。ピストン位置は軸に取付
けたエンコーダによって監視することができる。

この結果、各ピストンが送液を止める時期を正確に検
出することができ、前記期間の終わりに到達した際にモ
ータ速度を上昇するために信号を発生することができ
る。

ポンプは電気的ステップモータによって駆動すること
ができ、制御信号の特性はその周波数であり、（ｍ＋
１）個のピストンが送液を行っている第２期間中にモー
タに供給されるパルスの周波数は（ｍ＋１）/mで割られ
る。

ポンプが二ピストン型ポンプであってステップモータ
によって駆動される場合には、第２期間中にステップパ
ルスの速度を２で割ることを含む簡単な制御回路を使用
して前進速度を半減することができる。この場合には特
定の分析にとって望ましい流量をセットする制御機能か
ら一定流量を維持するための制御機能が分離される。

次に本発明を図面を参照して例について説明する。

第１図は本発明の液体クロマトグラフの一例の各部分
の配置を示すブロック線図である。この液体クロマトグ
ラフはマルチピストン型ボンプ１を具え、これにより液
体をポンプ輸送して分離カラム２に通す。ポンプ１は軸
３によってステップモータ４に連結され、モータ４はポ
ンプ１を駆動する。圧力変換器５はポンプ１の出口圧力
を監視し、ポンプ１の出口と試料注入器６の入口との間
に連結され、試料注入器６の出口はカラム２の入口に連
結されている。カラム２の出口は検出器７に連結され、
検出器７は電気出力を発生し、この電気出力は処理回路
８に供給され、次いで表示装置９を駆動する。表示装置
９は好都合な任意の形態のもの、例えば、ビデオ表示装
置またはチャート記録計とすることができる。ステップ
モータ４は制御回路装置10によって駆動され、制御回路
装置10は信号路11を経てステップパルスを所望の速度で
ステップモータ４に供給する。制御回路装置10は入力ユ
ニット12から信号路13を経て第１入力を受取る。入力ユ
ニット12はキーボードにしオペレータが所望の流量を入
れることができるようにすることができ、あるいはクロ
マトグラフの操作パラメータを設定でき任意の他の装置
とすることができる。また制御回路装置10は圧力変換器
５から信号路14を経て第２入力を受取る。ポンプ１の入
口は溶媒配合装置（solvent proportioning arrangemen
t）15から供給を受け、装置15は制御回路装置10から信
号路16を経て送られる信号によって制御される。

操作の際には、入力ユニット12を使用して所望の流量
を設定する。入力ユニット12は、ｍ個のピストン（ただ
し、（ｍ＋１）はポンプの全ピストン数より小さいかあ
るいは等しい）が送液している場合に、制御回路装置10
がステップパルスを発生して所望の流量を生じるのに適
した速度でステップモータ４を駆動できるようにする信
号を発生する。ポンプは、システムが設計されている最
悪の場合の流量、圧力および圧縮率の条件下に非送出し
期間がなくなるような程度までピストンの送出し行程が
重なるように配置されている。この結果、どのような最
悪の場合の条件下においてさえ、各サイクルにおいて
（ｍ＋１）個のピストンが送出しを行っている期間があ
る。さらに処理を行わない場合には流量は（ｍ＋１）/m
倍増加し、この結果ポンプの出口圧力は増加する。出口
圧力は圧力変換器５によって監視する。圧力変換器５は
信号を発生し、この信号は信号路14を経て制御回路装置
10に供給され、（ｍ＋１）個のピストンが送出しを行っ
ている場合には制御回路装置10がこの情報を使用して信
号路11を経てステップモータ４に供給されるステップパ
ルスの速度を（ｍ＋１）/mで割るので、ピストンの前進
速度が低下する。重なっている送出し期間の終了時に、
ステップモータ４へのステップパルス供給速度はもとの
値に戻る。

重なっている送出し期間の終了を検出するには種々の
方法があり、例えば、圧力変換器５によってポンプ１の
出口における圧力低下を検出すことができる。しかし、
一般的に各ピストンが送出し行程の終わりに到達した時
を軸エンコーダの助けをかりて検出するのが好ましく、
この場合ピストンは軸３に取付けられているカムによっ
て駆動され、軸３はステップモータ４によって駆動され
る。

二ピストン型ポンプｍ＝１の場合、従って両ピストン
が送出しを行っている場合には、これらのピストンの前
進速度は１個のピストンのみが送出しを行っている場合
の前進速度の半分にする。これは、ステップモータに対
するパルスをデジタル的に取出した場合に、例えば単に
回路内または回路外において二分割段階（divide−by−
two stage）を切換えた場合に容易に達成することがで
きる。２個より多いピストンが設けられている場合に
は、一度に２個以下のピストンが送出しを行っているよ
うにすることができ、すなわち第4f図〜第4h図に示す状
態にすることができ、この場合でもピストンの前進速度
は２個のピストンが送出しを行っている場合には１個の
ピストンのみが送出しを行っている場合の半分になる。
２個より多いピストンを設ける利点は、各ピストンの戻
り行程を延長してシリンダを満たす期間を長くすること
ができる点にある。このことは、広範囲の流量が必要に
なることがある場合および各行程においてシリンダに入
る数種類の溶媒を一層正確に配合するのが望ましい場合
に、特に有利である。欠点は機械的な複雑さが大きくな
り、従ってコストが一層高くなることであるのは勿論で
ある。

２個より多いピストンが設けられている他の配置は、
１個より多いピストンが常に送出しを行っているように
ポンプを配置することであって、例えば、四ピストン型
ポンプを使用する場合には、同時に２個のピストンが送
出しを行っていて、第３のポンプが重なって送出しを行
うように配置することができる。この場合には、速度変
化は２倍でなく1.5倍になるので、所定の加速度の場合
に速度変化を一層迅速に達成することができ、従って流
れまたは圧力の変動を小さくすることができる。

制御回路装置10は、（ｍ＋１）個のピストンが送出し
を開始した際にモータ速度を（ｍ＋１）/mで割っただ
け、すなわち、二ピストン型ポンプの場合にはモータ速
度を２で割っただけモータ速度を変えるように配置され
ている。以下に二ピストン型ポンプの場合について説明
するが、同じ原理が２個より多いピストンを有するマル
チピストン型ポンプに適用できるのは明らかである。

制御回路装置10は圧力変換器５からの入力を受けて全
ポンプサイクルにわたって圧力を監視することができ
る。第5a図，第5b図は、モータ速度を半減する時期が遅
すぎたかあるいは早すぎたことの影響、およびモータ速
度半減時期の補正をどのようにして進めるかを示す。第
５図において、SST1は第１ピストンの前進開始時期を示
し、EOD2は第２ピストンが送出しの終わりに達した時
期、すなち第２ピストンの送出し停止時期を示し、HS1
はモータ速度半減時期を示す。第5a図はモータ速度半減
時期が遅すぎたことによる影響を示す。このことは、両
ピストンが送出しを行っている場合に圧力ピークが生じ
る原因になる。この圧力ピークの大きさM_pは２個のピス
トンの送出しの重なる程度によって左右される。制御回
路装置10は圧力ピークを検出し、その大きさを測定し、
この情報を使用してモータに次のポンプサイクルにおい
て一層早い時期にその速度を半減するよう指令を発す
る。これはkM_p（ただし、ｋは定数である）に等しいフ
ァクターで行うことができる。定数の値は接近速度と安
定性との間に最良の妥協が提供さるように選定する。低
い値は遅い接近を生じ、これは流量または溶媒組成を変
える場合には受入れられないことがあり、他方高い値は
ノイズの存在下に不安定な系を生じ、この系ではノイズ
スパイクによってHS1時期が所望の時期からずれる。第5
a図から分かるように、圧力ピークの大きさはこれに続
くポンプサイクル中にこの大きさが圧力基準線の信号に
おけるノイズレベルになるまで定常的に小さくなる。こ
れは前のポンプサイクルにおける圧力ピークの検出に応
答してHS1時期を前進させることによって達成される。

HS1時期が余りに早い時期に現れる場合にも同様な情
況になるが、この場合には圧力ピークでなく圧力くぼみ
が検出される。同様な補正操作を行うが、圧力くぼみが
ノイズレベルまで小さくなるまでHS1時期を前進ではな
く遅延させる。

第２ピストンによる送出しを開始する場合、すなわち
SST2とEOD1（ピストン２の送出し行程の開始とピストン
１の送出し終了）との間の半速時期HS2の場合にも、同
様な操作を行う。ピストンおよびシリンダの両者のほか
逆止弁も同一である場合には、HS2時期の補正は他方の
ピストンが送出しを行っている場合の圧力増加または圧
力減少に基づいて決めることができる。しかし、同じピ
ストンの前のサイクル中の圧力に依存して補正を行うこ
とにより、各ピストンに対するHS1時期およびHS2時期を
別個に調整してアンバランスを補償することができる。

所望の流量が変化している場合に、従って出口圧力
（基準線圧力）が重なっている送出しの影響とは別に増
加または減少する場合に特に有用である他の改善とし
て、圧力ピークまたは圧力低下ならびに基準線圧力を２
サイクル以上のポンプサイクルにわたって内挿して一層
正確な補正をすることができる。変化する基準線圧力は
溶媒の変化または流量の変化によって生じることがあ
る。さらに、流量が変化する場合には補正のために予め
前進又は遅延を組込むことができる。

溶媒配合装置15は入力ユニット12から制御回路装置10
を経て入力を受取って選定した溶媒または溶媒混合物を
ポンプ入口に供給する。溶媒配合装置15は複数個（例え
ば４個）の溶媒供給源を具え、これらの溶媒供給源はそ
れぞれ電磁弁を介してポンプ入口に連結されている。電
磁弁ポンプの吸込行程中に計算した期間の間作動させて
選定した溶媒組成にする。電磁弁は一度に１個が作動す
るように配置し、２個の弁が同時には開かないで２個以
上の弁によって形成される通路を通って異なる溶媒が吸
上げられるのを確実に防止する。他の手段は電磁弁への
各溶媒入口ラインに一方向弁を加えることである。

混合物中の溶媒割合を望ましい割合にするには、適当
な割合のポンプ吸込行程の間に適当な弁を順次作動させ
る。溶媒のうちの１種を極めて小さい割合、例えば＜５
％存在させる必要がある場合には、吸込行程の５％未満
の間のみ弁を作動させるのは明らかである。流量が大き
く、ピストンの行程容積が小さい場合には、これを達成
するのが困難であることがある。先に説明したように、
弁が極めて迅速に作動していても、結果である流体の加
速および減速はガス発生またはキャビテーションを招く
ことがある。

制御回路装置10および溶媒配合装置15は、電磁弁の作
動時間が所定の値より短いかあるいは短くなると思われ
る場合には、複数個のポンプまたはピストンサイクルに
わたって配合を行うことができるように構成する。配合
装置の一例では、これはポンプによって生じる選定され
た流量によって決り、一度その値より大きい流量を選定
すると、溶媒組成は複数個のピストンサイクルにわたっ
て平均される。従って、１種の溶媒が小濃度例えば１％
の濃度であることが必要である場合には、その溶媒の５
％を１つの戻り行程中に供給するが、その溶媒を1/5の
戻り行程ごとに供給することにより、これを達成するこ
とができる。複数個のピストンサイクルにわたって平均
するかどうかを決定する他の方法は、所要の弁作動時間
を計算して１つの戻り行程において所要の混合物を生成
し、弁開放時間の計算値を所定値より短い場合に平均化
が起こるようにすることである。

また溶媒配合装置は実際の吸込容積の計算、すなわち
シリンダ内圧力が大気圧まで低下するように液体および
他の部分の押出されていない容積が減圧されるのに要す
る時間について補正されている吸込時間の計算を行うこ
とができる。明らかに、溶媒供給源が加圧されていない
限り、シリダ内圧力が大気圧に低下するまでは吸込は起
こらない。普通HPLCで使用される送出し圧力では、液体
およびプラスチック部分は可成り圧縮される。減圧時間
は該ピストンの前の送出し行程における予備圧縮時間の
知識から計算される。一度減圧時間を計算すると、正確
な吸込開始時期を決めることができ、従って全吸込時間
が正確に分かる。これにより溶媒を一層正確に配合する
ことができる。

溶媒の配合に関係している本発明に関する限り、マル
チピストン型ポンプを使用することは必須用件ではな
い。本発明は単ピストン型ポンプにも同様に適用するこ
とができ、このようなポンプにおいて一層有効であるこ
とさえある。この理由は吸込時間が全ポンプサイクルの
比較的小さい割合を占めるからである。マルチピストン
型ポンプを使用する１つの理由は送出しの際に流れの脈
動を受入れられない程増大することなく吸込時間を長く
することができるからである。

第２図は第１図のクロマトグラフに使用するのに適し
たポンプ１およびモータ４の斜視図であり、第３図は第
２図に示すポンプ１およびモータ４の平面図である。

ポンプ１はポンプヘッド20を具え、ポンプヘッド20は
金属薄板製の２個の側方パネル21と22との間に挾着され
ている。ポンプ組立体は横部材24および25を具えていて
剛構造を提供し、この剛構造の上にモータ４およびポン
プの種々の構成部品が取付けられている。横部材23は側
方パネル21と22との間に浮動することができるので、軸
受け32,33,34および35内を摺動する管30および31の動き
はこれらの軸受けの不整列によって拘束されない。ポン
プ１には２個のピストン26および27が設けられ、これら
のピストンはそれぞれロッド28および29内に取付けら
れ、これらのロッドはそれぞれ２個の管30および31の内
部に入っている。管30は横部材23および24において軸受
け32および33内に摺動自在に取付けられ、また管31は軸
受け34および35内に同様に取付けられている。２個のカ
ム36および37はモータ４の軸３上に取付けられ、管30お
よび31にはそれぞれカム従動子38および39が設けられて
いる。コイルばね40および41はそれぞれカム従動子38お
よび39をロッド28および29上の突起（図示せず）によっ
てカム36および37に押圧し、ロッド28および29はそれぞ
れ管30および31内において横断部材に押し当てている。
ブラケット43の横断部分42はばね40および41の他端に対
する支持面を提供する。２個の円形クリップ44および45
をそれぞれロッド28および29上に設けて、ヘッド20をポ
ンプ組立体の残部から取外した際にピストン26および27
がヘッド20内に保持されるようにする。管46および47は
ポンプヘッド20の各シリンダから出口を受取り、これら
の出口をマニホルド48で一緒にする。マニホルド48は出
口49を有し、出口49はポンプ出口を形成する。軸エンコ
ーダ50がモータ４の軸３に取付けられ、検出器51がポン
プの側方パネル21に取付けられているブラケット52によ
って支持さている。検出器51は光電子式検出器とするこ
とができる。

作動の際には、制御回路装置10によってモータ４にス
テップパルスを供給し（第１図）、軸３を所望の速度で
回転させる。よく知られているように、ステップモータ
の捲線に制御された電流を供給しかつ制御された電流間
に正しい比を保証することにより、モータの回転を各ホ
ールステップ（fall step）の間のいくつかのサブステ
ップまたは微小ステップによって段歩的に増加させるこ
とができる。これを達成するのに適したステップモータ
駆動回路の設計は当業界においてよく知られている。こ
のような系を使用することにより、モータの回転位置お
よびその瞬間速度を一層精密に制御することができる。
この結果、カム36および37はピストン26および27をカム
の形状に従って前進および後退させる。カムの形状はカ
ムが一定の角速度を有している場合にピストンをその送
出し工程において一定の線速度で前進させるように設定
されている。このようなカムの形状の設計は当業界にお
いてよく知られている。第１図について説明したよう
に、ピストンは重なった送出し工程を有するように配置
されている。すなわち、両ピストンが前進している場合
にはモータの各回転中に２つの時期がある。第４図はポ
ンプ輸送サイクル中の種々の点における各ピストンによ
る液体の送出しおよびモータ速度を示す。第4a図はカム
の角度を示す。第4b図はピストン26の運動によるポンプ
ヘッドにおける圧力を示し、点A_xにおいて送出し行程が
始まる、すなわちピストンが前進を開始することを示
す。また第4b図は点A_yまでは液体およびプラスチック部
分の予備圧縮が起こっていて、実際の送液が行われてい
ないことを示す。点A_yからA_zまでではピストンは一定の
線速度で前進しているので、一定流量の送液が行われる
点A_zはピストンが送出し行程の終点に到達した点、従っ
てもはや液体を送り出すことができない点である。第4c
図はピストン27の運動によるポンプヘッドにおける圧力
を示し、点B_x，B_yおよびB_zはそれぞれピストン27の送出
しサイクルにおけるピストン26の点A_x，A_yおよびA_zと同
様な点に対応する。２個のピストンの送出し行程に重な
りがあること、およびこの結果対策を講じない場合には
流量が倍になる期間があることが分かる。この望ましく
ないでき事は第4e図に示すように重なっている送出し行
程中においてモータ速度を半減することによって防止さ
る。第4e図はモータ速度を示し、下側レベルS/2は上側
レベルＳの速度の半分に等しい。２個のピストンによる
同時送出しが始まる時期は、第4d図に示すようなポンプ
出力における圧力を監視することによって予知すること
ができる。同時送出しが始まると圧力が上昇し、この圧
力上昇は制御回路装置10によって次のポンプサイクルに
おけるモータ速度を制御するのに使用されるので、該サ
イクルにおいて同時送出しが始まるのが予知される場合
にはモータ速度を半減し、圧力を当初の値に戻す。これ
は、２個のピストンの合計の送液量が当初の単ピストン
の送液量に等しくなるからである。両ピストンが送出し
を行っている期間の終わりは軸エンコーダによって検出
される。この時期にモータ速度は倍になって再び当初の
値になる。

第4f図〜第4j図は第4b図〜第4e図と同様に、ポンプに
３個のピストンが設けられていて、カムが、一度に１又
は２個のピストンが液体を送出しているような形状であ
る場合の情況を示す。第４図に示すように作動する３個
のピストンを使用することによって得られる利点は、ポ
ンプ輸送すべき溶媒によって各シリンダを満たすのに使
用できる期間が長くなること、すなわちA_z〜A_xの期間が
A_z〜A_xの期間より長くなることである。このことは、い
くつかの液体を各シリンダ内に直列に供給してポンプ輸
送するための所望の溶媒混合物を与える場合、特に大き
い流量において全ポンプサイクル時間が短くなるため満
たす時間が長くなる場合に、重要であることがある。従
って、満たすポンプサイクル時間のできるだけ大きな割
合を占めるようにするのが有利になる。勿論、３個より
多くピストンを使用して満たす時間を一層長くすること
ができるが、ピストンを追加するごとに機械的な複雑
さ、従ってコストが増大する。

第６図に示す制御回路装置10はマイクロプロセッサ
（CPU）100、例えばジログ（Zilog）Z80中央処理装置を
具え、これはデータバス101、アドレスバス102、制御バ
ス103を経てメモリー104、中断発生・タイミング回路
（IGTC）105、I/0デコーダ（I/0 DEC）、キーボード・
ディスプレーユニット（KDU）107、圧力監視ユニット
（PMU）108および溶媒配合制御ユニット（SMC）109（ユ
ニット109は第１図の装置15に相当する）と相互接続さ
れている。中断発生・タイミング回路105はステップモ
ータ駆動回路110に接続され、回路110は第１図に示すよ
うにライン11を経てモータ４を駆動する。さらに、回路
105はこれにライン11を経て光学式検出器51（第３図参
照）に連結されている入力およびライン112を経て圧力
監視ユニット108および溶媒配合制御ユニット109に連結
されている他の出力を有する。I/0デーコダ106はI/0セ
レクトバス113を経て中断発生・タイミング回路105、キ
ーボード・ディスプレーユニット107、圧力監視ユニッ
ト108および溶媒配合制御ユニット109に連結されてい
る。クロック発生器114はライン115を経てマイクロプロ
セッサ100に、またライン116を経てIGTC105に連結され
ている。

I/0 DEC106ははマイクロプロセッサ（CPU）100からア
ドレス信号および制御信号を受取り、これらの信号を復
号してI/0回路およびメモリー104に対する適当な制御信
号を発生する。I/0回路はブロック105,107,108および10
9をCPU100に連結する。I/0 DEC106は例えば多数の１ア
ウトオブ８デコーダ／デマルチプレックサ・チップ・タ
イプ74138を具えることがある。

IGTC105は第７図に示されており、クロック入力120を
有し、入力120は鎖状に連結されている分周器121,122お
よび123に供給される。これらの分周器はプログラム可
能なインターバルタイマー（PIT）から形成することが
でき、これはインテル・コーポレーションからタイプ表
示8254として販売されている。これらのデバイスはCPU1
00からデータバス101を経てアドレスバス102,、制御バ
ス103およびI/0セレクトバス113の制御下にデータを受
取る。このデータはカンウタがプリセットされている数
を含んでいるので、所定の分周比が得られる。溶媒に望
ましい流量はオペレータによりKDU107によって選定さ
れ、CPU100はカウンタ121および122に適当な分周比を計
算するので、ステップモータを駆動させるための正しい
周波数のパルスがステップモータ駆動回路110に供給さ
れる。これらのパルスはカウンタ122の出力から得ら
れ、出力124に現れ、ジログ（Zilog）タイプ8430カウン
タ・タイマー回路の部分によって形成されている分周器
125はカウンタ123の出力に連結されているクロック入力
を有し、カウンタ123が零カウントに達した際に制御バ
ス103において中断信号を発生するようにプログラムさ
れている。光学式検出器51をLGTC105に連結するライン1
11はジログZ8430カウンタ・タイマー回路として形成さ
れている分周器26に連結され、アドレスバス、制御バ
ス、データバスおよびI/0セレクトバスにおける信号に
よってプログラムされて光学式検出器からの信号を受取
ると直ちに中断信号を発生する。他の分周器127は入力1
20に連結されたクロック入力を有し、入力120にはクロ
ック発生器114からのクロック信号がライン116を経て供
給される。分周器127もジログＺタイプ8430カウンタ・
タイマー回路から形成され、この分周器はクロック信号
を分周して中断信号を１ミリ秒毎に発生し、ライン128
を経て制御バス103に、またライン112を経て圧力監視ユ
ニット108に供給するようにプログラムされている。

圧力監視ユニット108は第８図にブロック線図として
示されており、このユニットは圧力変換器105を具え、
変換器105はポンプ出口とカラム入力との間の液圧を監
視するよう連結されている。圧力変換器130は、圧力変
換器が電流出力または電圧出力のいずれを提供するかに
よって、直接あるいは電流・電圧変換器を経て電圧・周
波数（V/F）変換機131に供給を行う。V/F変換機131の出
力はANDゲート132の第１入力に供給され、その出力はカ
ウンタ133のクロック入力に連結されている。カウンタ1
33はインテル（INTEL）8254PITの部分であり、カウンタ
133は制御バス103およびI/0セレクトバス113に連結され
ている入力およびデータバス101に連結されている出力
を有する。ライン112における１ミリ秒パルスは分周器1
43に供給され、その出力はANDゲート132の第２入力に連
結されている。

第６〜８図に示す制御回路装置の作動を第10図に示す
系統図について説明する。

中断HEDINTは光学式検出器および中断発生器126によ
って発生する。HEDINTが発生すると、はマイクロプロセ
ッサ100がHEDINT時期とピストン26の工程開始（ST.STRI
NT 1）との間におけるモータ４の微小ステップの数に相
当する数をカウンタ123にセットする。この数は設計さ
れたカム形状に基づいた計算または製造段階における最
初の較正から得ることができ、メモリー104に記憶させ
ることができる。カウンタ123はカウンタ122の出力によ
って（すなわち、モータ４に供給される微小ステップに
よって）クロックされ、零までのカウントダウンを起こ
す（DEC.CTR）カウンタ123にセットする数は、ピストン
26の工程開始が起こった時にカウンタが零になるような
数である。零カウントに達した際に、出力信号は分周器
125に供給され、分周器125はライン103上で中断（STRIN
T 1）を発生する。中断（STRINT 1）は２種の手順を開
始させる。第１にHSINT 1（モータ速度を半減すべき時
期）までの微小ステップ数を示す数をカウンタ123中に
セットし（ST.HSINT 1）、第２に計算（CLC.HSINT 2）
を行って他方のピストンに対するポンプサイクルにおけ
る対応する点でカウンタ123中に供給すべき数を出させ
てHSINT 2を発生させる。カウンタ123はカウンタ122の
発生したモータパルスによって減少し（DEC.CTR）、同
時にHSINT 1とEODINT 2との間のモータの微小ステップ
数、すなわちモータ速度半減時期とモータ速度を当初の
値に戻す必要がある場合にピストン27が送液を止める時
点との間の微小ステップ数を計算する。この計算には単
に、STRINT 1とEODINT 2との間に既知の微小ステップ数
からSTRINT 1とHSINT 1との間の微小ステップ数を引算
することが必要であるにすぎず、この数はカムの較正か
ら分かる。カウンタ123が零カウントに達した際に、中
断HSINT 1が発生し、マイクロプロセッサ100は鎖状に連
結するカウンタ121および122の除数を２倍に増大するこ
とによって応答して出力124における微小ステップパル
スの速度を２で割り、EODINT 2までの微小ステップ数の
計算値をカウンタ123にセットする（ST.EODINT 2）。カ
ウンタ123は、カウンタ123が零カウントに達した際に中
断EODINT 2が発生するまで、カウンタ122が発生したモ
ータパルスによって減少を示す。中断EODINT 2はマイク
ロプロセッサ100においてカウンタ121および122の除数
をその当初の値に戻す。その理由はこれが両ピストンに
よる重なった送出しの終了をマークしているからであ
る。また中断EODINT 2はマイクロプロセッサ100におい
て中断STRINT 2までの微小ステップ数をカウンタ123に
セットする（ST.STRINT 2）。再びこの数は最初に既知
のカム形状から記憶させたメモリー104から非破壊的に
読み出される。この数はピストン27が到達している送出
しの終点とピストン26の送出し工程の開始との間のモー
タの微小ステップ数に対応し、これはカム形状の関数で
あって、所定のポンプにとって一定である。カウンタ12
3は中断STRINT 2が発生した際に零カウントに達するま
で微小ステップパルスによって減少する（DEC.CTR）。

中断STRINT 2はピストン26に対する半速時期の計算
（CLC.HSINT 1）を開始させる。中断STRINT 2によって
はマイクロプロセッサはピストン27の半速時期までの微
小ステップの数をカウンタ23にセットする（ST.HSINT
2）。これは中断STRINT 1に対応して計算された値であ
る。次いでカウンタ123は微小ステップパルスによって
減少し（DEC.CTR）、カウントが零に達した際に中断HSI
NT 2が発生する。これと平行してHSINT 2とEODINT 1と
の間のモータの微小ステップ数を計算する（CLC.EODINT
1）。この数は半速点とピストン26が送液を止める時期
との間のステップ数に対応する。

中断HSINT 2が発生した際に、マイクロプロセッサ100
は、カウンタ121および122を組み合わせて得られる除数
を２倍してモータ速度を半分にし、カウンタ123を計算
カウント（CLC.EODINT 1）にセットする（ST.EODINT
1）ことによって送出しの中断EODINT 1、すなわちピス
トン26が送液を止める時期に応答する。カウンタ123
は、カウンタ125が中断EODINT 1を発生した際に、零に
達するまでカウンタ122からの微小ステップパルスによ
って減少する（EDC.CTR）。この中断によってマイクロ
プロセッサ100はカウンタ125をその最大カウントにセッ
トする。この理由は、発生させる必要のある次の中断が
HEDINTであり、これが光学式検出器51の出力に応答して
発生するからである。この結果、カウンタ123をその最
大カウントにセットすることにより、確実に、このカウ
ンタは次のHEDINTが起こる前に別の中断信号を発生させ
ない。

EODINT 1とSTRINT 1との間のステップパルス数に対応
する数をカウンタ123にセットすることは理論的に可能
であるが、エンコーダを使用してディスクによってポン
プサイクルにおける１つの時期の明確な位置決めを確実
に行う。モータ速度が倍になっているピストン26および
27の送出し終了点に対応する中断EODINT 1および中断EO
DINT 2はポンプのその時の流量および送出し圧力に従っ
て補正することができる。これが必要なのは、モータ速
度の変化とこの変化が圧力記録に及ぼした作用との間に
おける必要な時間が異なる作動条件下に変動するからで
ある。

これらの補正は次のようにして行う： 1.流量補正 −最大流量の場合には調整しない。

−零流量の場合には所定数の微小ステップを各EOD位置
に加える。

−流量と補正との関係は一次であるとし、零と実際の流
量に基づく所定の数との間で線形の内挿を行う。

2.圧力補正 −０バールの圧力の場合には調整しない。

−最大圧力の場合には所定数の微小ステップを各EOD位
置に加える。

−送出し圧力と補正との関係も一次であるとし、従って
零と実際の送出し圧力に基づく所定の数との間で線形の
内挿を行う。

高性能液体クロマトグラフィー（HPLC）のいくつかの
用途では、分析中に溶媒相すなわち移動相の組成を制御
して変える必要がある。例えば、すべての試料成分を適
当な時間内に分離し溶離することができる移動相を選定
するのが不可能であることがある。この問題は傾斜溶離
（gradient elution）として知られている技術を使用す
ることによって克服することができ、この技術はガスク
ロマトグラフィーで使用されている温度プログラミング
に類似している。

通常、傾斜溶離では、１種の特性の溶媒からなる移動
相を使用して分析を開始し、次いで分析中に第２溶媒を
漸次増加する分量で加える。所要の組成変化は第２溶媒
濃度が時間と共に線形に増加することである場合があ
り、あるいは一層複雑な傾斜が必要である場合がある。
しかし、第２溶媒以外のものを加える必要がある場合も
あり、いくつかの例では第３および第４の溶媒を混合し
て所望の移動相を生成する必要があることがある。

また時としては一定の溶媒混合が必要であることがあ
り、この溶媒混合物は１種以上の特性の溶媒を小さいパ
ーセントで含有していることがある。これを達成するに
は、極めて短い弁作動時間が、特に大きい流量におい
て、必要であることがある。

往復ピストンポンプを使用してカラムへの移動相の流
れを生成する場合に、所望の組成の移動相を得るには２
つの主要な方法がある。第１の方法は高圧配合法で、こ
の方法では２個以上のポンプの高圧出力を一緒にした後
にカラムに加える。このポンプ流量は所望の溶媒組成を
与えるように選定し、これらの流量の合計が所望の全流
量を与えるようにする。第２の方法は低圧配合法を使用
することであって、この場合には所望の混合物組成を与
えるように切換えられる１組の電磁弁または同様な装置
によって溶媒を配合する。この切換え、すなわち配合が
単高圧ポンプの吸込期間中に行われるようにし、切換え
装置をポンプの入口ラインに取付ける。

上述の２つの方法は利点および欠点を有する。小さい
パーセントの溶媒を含有する混合物について小さい全流
量を使用する場合には、高圧配合法では１個のポンプを
極めて小さい流量で運転することが必要であるが、これ
を再現性があり信頼できるように行うのは困難であるこ
とが多い。従って、所要の混合物が99％の溶媒Ａと１％
の溶媒Ｂとからなる場合には、溶媒Ｂを供給するポンプ
は溶媒Ａを供給するポンプの流量の約1/100で運転す
る。さらに、高圧ポンプはポンプ出口側に連結されてい
る圧力測定装置によって制御されることが多い。これは
このようなポンプを高圧混合のために一緒に連結するの
を極めて困難にすることがある。これは圧力測定装置が
どのポンプを制御しているかを確認するのに問題がある
からである。簡単な同時方法は傾斜溶媒法を使用する場
合には有効でない。傾斜溶媒法では溶媒混合物の組成が
クロマトグラフによる分析中に時間の任意の関数として
変動する。

この例で使用する低圧配合法は、全ポンプ容積が関与
するために、系の遅延容積（混合点とクロマトグラフの
カラムのヘッドとの間の容積）が比較的大きいという欠
点を有する。この方法は流量が小さい場合に限定されな
いが、ポンプへの入口において溶媒を配合するのは流量
の小さい方が容易である。しかし、流量が増加するにつ
れて、溶媒をポンプ内に配合するのに許容される時間は
次第に短くなる。さらに、ポンプ出口における流れの脈
動を小さくするには、各ピストンの吸込時間を全ポンプ
サイクルのうちの小さい割合にするのが普通である。従
って、溶媒をポンプ入口内に配合する時間はこれに応じ
て短くなる。この結果、溶媒をポンプ入口内に配合する
のに使用する弁は極めて迅速に作動する必要がある。ポ
ンプの吸込時間を最小にすると入口流量が増加し、この
結果流体の加速度および減速度が増加する。これは液体
に及ぼす慣性または圧縮比の作用によってガス発生、キ
ャビテーションあるいはシリンダが完全に充填されなく
なる現象を招くことがある。これらの作用は特定の流量
において送出される溶媒の組成に誤差を生じさせる。

この例では、少量の異なる溶媒を液体流中に順次に加
え、この系の容積をこれらの溶媒が混合されるようにす
ることによって所望の溶媒組成が達成するようにクロマ
トグラフが配置されている。これは、電磁弁を適当な時
に切換えて戻り工程中にポンプヘッドに所要の容積の各
溶媒を供給することができるようにすることによって達
成される。

弁の切換えが必要である時を正確に決めるには、吸込
時間を正確に決める必要がある。理論的には、これはカ
ム形状およびモータ速度の知識から正確に決めることが
できる。すなわち、吸込時間はピストンの戻り工程期間
に対応する。しかし、実際にはHPLEで使用される圧力に
おいて、液体およびプラスチックは可成りの程度まで圧
縮され、逆止弁が作動する前に逆止弁間に或る圧力差を
設ける必要がある。従って吸込時間の開始はピストンの
戻り工程の開始と正確には対応しない。この結果、吸込
時間の開始を一層正確に決めることができない限り、溶
媒混合物は可成り不正確になり、特に高圧においてそう
である。

第11図は液体クロマトグラフ用ポンプの１つのヘッド
の断面図である。このポンプヘッドはシリンダ200、ピ
ストン201、ピストンとシリンダとの間のプラスチック
シール202、流入液逆止弁203および流出液逆止弁204を
具える。第11図に示すように、ピストン201は完全に後
退しており、点線の長方形は完全に前進した場合のピス
トン位置を示す。

液体クロマトグラフィーにおける使用圧力（代表的な
例では400バール以下）では液体およびプラスチックは
可成りな程度まで圧縮される。このため、硬いピストン
がその送出しの際に前進するにつれて容積損失が生じ
る。これは、シリンダ内圧力が流出液逆止弁204を開い
て系の圧力においてカラムに送液するのに十分な値まで
増加した際に、液体えよびプラスチックが圧縮されるか
らである。同様に、戻り工程では、シリンダ内圧力が大
気圧まで低下して入口逆止弁203を開くまでは吸込みは
起こらない。

ポンプヘッドが工程容積ｖ、すなわち点線の長方形で
示すピストンの工程容積、押出されない液体の容積Ｖお
よびプラスチックシール容積V_pを有しているとする。さ
らに、液体の圧縮比をK_lとし、プラスチックの圧縮比を
K_pとする。

ピストンがその送出し工程を開始する際の予備圧縮を
考えると、圧力零において、ヘッド容積Ｖ（０）＝V_l＋
ｖ＋V_p 圧力Ｐにおいて、 予備圧縮の際の容積損失（PL）＝Ｖ（０）−Ｖ（Ｐ） ピストンがその戻り工程を開始する際の減圧を考える
と、 圧力Ｐにおいて、 圧力零において、 減圧の際の容積損失（DL）＝Ｖ′（０）−Ｖ′（Ｐ） 必要な補正はPL−DL K_LＰおよびK_pＰが＜＜１である場合には 代表的な例では、K_LまたはK_pの最大値は150×10^-6／
バールであり、最大圧力は400バールであるので、 である。式１において、工程容積（Ｖ）は所定のヘッド
については正確に知られており、系の使用圧力Ｐは正確
に測定することができる。K_Lは混合溶媒については未知
であるが、代表的な例では水の場合の50×10^-6／バール
とヘプタンの場合の150×10^-6／バールとの間である。K
_Lを100×10^-6／バールに等しいとした場合に満足できる
結果が得られる。

PLは工程の開始から送出しの開始までの工程容積であ
って、正確に求めることができる。それは、上述のよう
に、送出しの開始が正確に測定することができ、且つ適
当なSTRINTとHSINTとの間の工程にピストン面積を乗じ
た値に等しいからである。この工程はカム形状およびST
RINTおよびHSINTとの間のモータの微小ステップ数から
求めることができる。

特に、V_L,V_pおよびK_pは既知である必要はない。ま
た、プラスチック部分が理想的な圧縮性固体物質として
挙動しない場合には、この点を補正する。従って、減圧
の際に失われる工程容積を求めることができる場合に
は、所定の圧力の場合に式１からDLを計算することがで
きる。

従って、減圧容積を求めることができるので、戻り工
程の割合、または押出されていない液体の容積およびプ
ラスチック部分を減圧するのに要する吸込時間を求める
ことができる。これは、ピストンを減圧容積に等しい距
離後退たせるのに要する時間を既知のピストン面積、微
小ステップパルスをモータに供給する速度および既知の
カム形状から求めることができるからである。従って、
圧縮容積を示すEODINT（１または２）から微小ステップ
数を計算することにより、実際の吸込開始を決めること
ができる。

減圧容積、従って実際の吸込時間は各ピストンについ
て別個に決めるのが好ましい。これは、ピストンおよび
シリンダの両方を全く同じにすることは実際の製造プロ
セスにおいて達成するのが困難であるが、ピストンおよ
びシリンダの両方が全く同じでない限り、各ピストン／
シリンダの組合せにおいて異なる予備圧縮容積および減
圧容積が生じるからである。これは、上述のように各ピ
ストンについてHSINTを別個に計算した場合に、容易に
達成される。

第９図は第６図の溶媒配合回路109を示すブロック線
図である。回路109は８個のプログラム可能なインター
バルタイマー150〜157を具え、これらのタイマーはデー
タバス101、アドレスバス102、制御バス103およびI/0セ
レクトバス113に連結された入力を有する。タイマー150
〜157のクロック入力には、IGTC105中のカウンタ122か
ら得られる微小ステップパルスがライン158を経て供給
される。４個のセット・リセット双安定回路160〜163は
それぞれ、タイマー150,152,154および156のそれぞれ出
力に連結されたセット入力を有し、まだタイマー151,15
3,155および157のそれぞれの出力に連結されたリセット
入力を有する。双安定回路160〜163の出力はそれぞれ電
磁弁駆動回路164〜167に供給されるが、これらの駆動回
路の出力はそれぞれ電磁弁170〜173に連結されている。

作動に際して、マイクロプロセッサはタイマー150〜1
57にカウントをセットし、これらのタイマーを零カウン
トにクロックした際に、タイマーの出力は関連するタイ
マーにセットされた当初の値によって決まる時期に対応
する双安定回路160〜163をセットまたはリセットするの
で、電磁弁170〜173を関連するタイマーにセットされて
いる最初の値によって決まる時期に作動状態または非作
動状態にする。

第12図はマイクロプロセッサ100によってタイマーに
セットさる数の発生を示す系統図である。ステップDET.
DLは圧縮損失容積の計算を行う。この際マイクロプロセ
ッサ100はピストン（26または27）の送出し工程のため
にSTRINTからHSINTまでの微小ステップ数を読取り、メ
モリー104に記憶されているカム形状のルックアップ表
を使用して、微小ステップ数を容積に変換する。次いで
vKP（ただし、ｖは全ピストン移動容積、Ｋは平均液体
圧縮比（100×10^-6／バールとする）、Ｐは測定した圧
力を示す）の値を計算する。次いで、容積DL＝PL＝vKp
を計算する。ステップDET SVは吸込容積の計算を行う。
この容積はピストン移動容積から減圧容積DLを減じた値
に等しい。

ステップDET.SSUは実際の吸込開始時期の決定を行
う。これはＤの計算値をEODINTに加えられる微小ステッ
プに変換することによって達成される。

ステップCALC.VATは所要の溶媒混合物を生成するため
に各弁を開く必要のある時間を計算する。これは吸込容
積、流量（すなわち、ピストン移動速度）、必要な各溶
媒のパーセント、およびステップDET.SSUで計算した吸
込時間の開始から計算される。

ステップORD.SOLは、最大割合の溶媒が２個の等しい
部分に別れ、対応する弁が吸込の開始時および終了時に
開くよう手配され、かつ他の溶媒弁が上述の２回の弁開
放時期の間で順次開くように弁の作動順序を選定する。
吸込工程の開始時における最大割合の溶媒のための弁の
開放は吸込開始前に行うことができる。これは入口逆止
弁が閉じているからである。同様に、吸込工程の終了時
における該弁の閉止を吸込工程の終了後に行うことがで
きる。

ステップCAM.CORRは微小ステップ数で表わされる弁開
閉時期をメモリー104に記憶されているルックアップ表
によってカム形状について補正する。ステップPRO.PITS
は各溶媒について計算した弁開閉時期に対応するプログ
ラム可能なインターバル時間に数をセットする。

この手順は小さい流量の場合、すなわち流量＞最大値
（FOW＞MAX）？という疑問に対する決定がノー（NO）で
ある場合には満足できるものであるが、吸込時間が短く
なる程流量が増大し、ポンプの移動程度が小さく例えば
30μｌの場合には、1ml/分以上の流量において溶媒の配
合に１秒より著しく短い時間を使用することができる。
この場合には１種の溶媒を小さい割合（＜５％）で含有
する混合物を得るには極めて迅速に作動する電磁弁が必
要である。

本発明における溶媒配合装置では、任意の弁の開放時
間の最小値をセットし、複数個のピストンサイクル例え
ば16のピストンサイクルにわたって溶媒を配合すること
によって、この問題を克服する。多数のピストンサイク
ルにわたって配合を行う場合には、同時に出願する特許
明細書に記載されているような溶媒ミキサを使用してカ
ラムに達する混合物中に１種の溶媒の未混合の塊（slu
g）が形成するのを防止する必要がある。流量＞最大値
？という疑問に対してイエス（YES）という決定がなさ
れた場合には、すなわちオペレータが大きい流量、例え
ば1ml/分より大きい流量を要求する場合には、ステップ
SEL.MCMを行う。これは１より多いピストンサイクルに
わたって溶媒の配合を行わせる手順である。この手順の
次にステップDET.PMIX,CALC.NMIXおよびCALC.VOTを行
う。ステップDET.PMIXにおいて、マイクロプロセッサは
前の15ピストンサイクルの結果として装置内にどのよう
な溶媒混合物が存在しているかを決定する。これは前の
ピストンサイクル中における弁開放時間に関する知識か
ら計算され、移動平均として計算される。ステップ（AL
C.NMIX）において、マイクロプロセッサは混合物を選定
した値にするために次の吸込期間中に使用する必要のあ
る各溶媒の割合を計算し、ステップCALC.VOTでは、CAL
C.NMIXにおいて丁度計算した割合になるように各弁に必
要な開放時間を計算する。次いで、計算した割合がプリ
セットした最小値より短い弁開放時間を必要とするかど
うかを決めるためどのような流量＜最小値（ANY＜MIN）
？という疑問に対して判断を行う。プリセットした最小
値より短い弁開放時間が必要である場合には、最小成分
を零にセットし（DEL.SC）、新しい混合物を再計算す
る。そうでない場合には、ステップCALC.VATに入り、プ
ログラム可能なインターバルタイマーを上述のようにセ
ットする。

第13図はマイクロプロセッサ100によってタイマーに
セットする数を発生させる第２の方法を示す系統図であ
る。ステップCALC.TAR.％は使用者が設定した必要条件
に従った溶媒混合物において必要である各溶媒のパーセ
ント（ターゲット・パーセント）の計算を行う。これは
使用者がKDU 107によって選定した各溶媒を特定の一定
のパーセントで含むことがあり、あるいはプログラムさ
れた傾斜から、すなわち使用者が入れたデータおよび装
置の前の状態に関する知識を使用してマイクロプロセッ
サ100が各吸込期間について自動的に計算することがで
きる時間と共に変化する溶媒組成から計算することがで
きる。ステップCALC.REQ.％は、各溶媒の現在の平均パ
ーセントをステップCALC.TAR.％で計算した値にするた
めに、次の吸込期間において必要な各溶媒のパーセント
を計算する処理を行う。溶媒混合物の組成がｎピストン
サイクルにわたって平均されている場合には、必要な％
＝ｎ×ターゲット％−（ｎ−１）×平均値％ ステップFD.MIN.％は吸込期間に導入することができ
る任意の溶媒の最小パーセントの計算を行う。これは最
小弁作動時間（これは装置のために選定した弁によって
決まる一定値に設定されている）および流量によって左
右される。従って、流量が少ない程最小パーセントが小
さくなることがある。これは吸込期間が対応して長くな
るからである。ステップFD.LST.SOLは所要の溶媒パーセ
ントを、最低パーセントが最初になり所要のパーセント
が次第に大きくなる順序になるように、順序正しく選別
する作用をする。次いで、溶媒の必要とする最低パーセ
ントがステップFD.MIN.％で計算した最小値の1/2より小
さいかどうか（％＜1/2最小値？）を決定する。この結
果そうでない場合には、次に溶媒の最低パーセントが最
小値と最小値の1/2との間にあるかどうか（1/2最小値＜
％＜最小値？）を決定する。この結果そうでない場合に
は、その溶媒の所要のパーセントをその溶媒に割当て
（ASSN.REQ.％）、次の吸込期間で続いて使用するため
に記憶させる。ステップFD.NLST.SOLは次の最低割当を
有する溶媒を選定する。次いで、これが混合物の最終溶
媒であるかどうか（＜FIN.SOL?）を決めるための判断を
行う、この結果そうである場合にはステップASSN.REM.
％を行い、吸込期間の残りのパーセントを最終溶媒に割
り当てる。ステップCONV.％．μSTは各溶媒に割り当て
られた吸込期間のパーセントをモータの微小ステップに
変換する。上述のように計算した実際の吸込期間はモー
タの微小ステップに変換することができ、また流量、従
ってモータ速度に関する知識からモータの微小ステップ
を求めることができる。モータの微小ステップに変換し
て作業するのが好都合である。これは吸込期間が微小ス
テップの所定数に相当するからであり、微小ステップの
所定数はモータおよびポンプの構造によって決まる。

今説明した手順は、各溶媒を１個のピストンの戻り工
程内で配合することができるような流量および割合であ
る場合における一連の溶媒配合操作を示す。しかし、流
量が大きい場合、あるいは１種以上の溶媒の割合が小さ
い場合には、上述の操作ではないことがある。このよう
な場合には、溶媒組成は２以上のピストンサイクルにわ
たって個々の溶媒のパーセントを平均することによって
達成することができる。従って、最低パーセントの溶媒
が最小弁作動時間の半分より短い弁作動時間を必要とす
る場合には、％＜MIN?の判断に対してイエスという答え
を与える。この結果ステップASSN.0％が行われ、このス
テップは該溶媒と関連する弁を次の吸込工程のために閉
じたままにしておく。次いで、次の最低パーセントの溶
媒を見つけ出し（FD.NLST.SOL）、これが最終溶媒でな
い場合には再び次の最低パーセントの溶媒について％＜
MIN?の判断を行う。この手順を％＜MIN?％の判断に対し
てノーという答えが与えられるまで繰返す。

他の溶媒の割合が最小値の1/2より小さい場合には、
最低パーセントの割合が最小値と最小値の1/2との間に
あるかどうかについてさらに判断を行う。答えがイエス
である場合には、さらにこれが該当する最初の溶媒であ
るかどうか（IST.SOL?）について判断し、その答えがイ
エスである場合にはこの溶媒を次の吸込期間の間最小弁
作動時間に割り当てる（ASSN.MIN.％）。答えがノーで
ある場合には、ステップASSN.0％を行う。

従って、最小値より短い弁作動時間を必要とする溶媒
パーセントが必要になると、溶媒配合装置は１より大き
いピストンサイクルにわたって溶媒組成を平均する。平
均が行われるピストンサイクルの数は所要の溶媒割合に
従って変動し、これはターゲットおよび所要のパーセン
ト計算によって自動的に起こる。マイクロプロセッサ10
0は各ピストンサイクルにおいて溶媒の割当てられたパ
ーセントの記録を保持しているので、平均を行うことが
できる。平均を行うことができる最小サイクル数は記憶
されている前のピストンサイクル数の割当によって決
り、平均化が行われる。実際のサイクル数は必要な実際
の割当によって決まる。

モータの微小ステップ数によっては、所要のパーセン
トを全微小ステップ数において正確には達成できないこ
とがある。また、この誤差を複数のポンプサイクルにわ
たって平均して溶媒組成の精度を高めることができる。

また傾斜溶離を行う場合には溶媒組成は一定の時期に
変えることができるにすぎないことについて補正するの
が望ましいことがあるが、線形に変化する組成が望まし
いことがある。この場合にも、これをステップCALC.TA
R.％およびステップCALC.REQ.％で達成することができ
る。

従って、吸込期間中に溶媒をポンプ中に配合す必要が
あり、またがンプがｘ％を与えるのに十分な短い期間の
間配合弁（proportioning valve）を開いておくことが
できないような速度で作動している場合には、１つのピ
ストン吸込期間にｘ掛けるｙ％を入れ、次いで再びｙピ
ストンサイクル後などに（ｘ掛けるｙ）/y＝ｘ％の平均
パーセントを与えることが決定される。

このピストンサイクル中に移動平均を使用して装置に
何が入ったかを監視し、次いで何を平均値に加える必要
があるかを求めて、所要の溶媒組成を達成する。所要の
割合のいずれが配合弁を作動させることができる最小値
より小さいことが分かっている場合には、計算したピス
トンサイクルからこれを除外する。この割合に対する必
要条件は、この割合が除外しないでおくのに十分な大き
さになるまで、各ピストンサイクルを自動的に増加させ
ることである。

この移動平均を使用することにより、１より多いピス
トンサイクルにわたる配合が自動的に行われ、どのよう
な装置流量においても弁切換回路が所要のパーセントに
なる。

吸込時間および吸込容積は微小ステップパルスをモー
タに供給する速度に関係し、計算は容積、時間または微
小ステップに関して行うことができる。これは、ピスト
ン速度が、モータの構造、カム形状およびピストン寸法
によって決まる一定の関係において、微小ステップパル
スをモータに供給する速度に関係しているからである。

ステップモータを使用し、微小ステップに関して計算
を行うのが好都合であるが、明らかに計算を適当に変更
して他の型式のモータ例えば直流モータを使用すること
も可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の一例の各部分の配置を示すブロッ
ク線図、 第２図は第１図の装置に使用するのに適したマルチピス
トン型ポンプの斜視図、 第３図は第２図のポンプの平面図、 第４図は液体クロマトグラフに使用するマルチピストン
型ポンプにおける各ピストンによる送液時の状況の一例
を示す説明図、 第５図はモータ速度の不適正な時期における変化が圧力
ピークおよび圧力くぼみに及ぼす影響の一例を示すグラ
フ、 第６図は第１図のクロマトグラフに使用するのに適した
制御回路装置の一例の配置を示すブロック線図、 第７図は第６図は制御回路配置に使用した中断発生回路
の配置を示すブロック線図、 第８図は第６図の制御回路配置に使用した圧力監視装置
の配置を示すブロック線図、 第９図は第６図の制御回路装置に使用した溶媒配合弁を
作動させる回路の配置を示すブロック線図、 第10図は第６図の制御回路装置に使用したマイクロコン
ピュータに対する中断信号の発生を示す系統図、 第11図は代表的な液体クロマトグラフ用ポンプのポンプ
ヘッドにおける１個のシリンダの断面略図、 第12図は配合弁装置に対する制御信号の発生を示す系統
図、 第13図は第６図の制御回路装置に使用したマイクロプロ
セッサによってタイマーにセットする数を発生させる方
法の一例を示す系統図である。 １…ポンプ、２…分離カラム ３…軸、４…ステップモータ ５…圧力変換器、６…試料注入器 ７…検出器、８…処理回路 ９…表示装置 10…制御回路装置（制御装置） 11,13,14,16…信号路（ライン） 12…入力ユニット、15…溶媒配合装置 20,22…側方パネル、23,24,25…横部材 26,27…ピストン、28,29…ロッド 30,31…管、32,33,34,35…軸受 36,37…カム、38,39…カム従動子 40,41…ばね 42…ブラケット43の横断部分 43…ブラケット、44,45…円形クリップ 46,47…管、48…マニホルド 49…出口、50…軸エンコーダ 51…検出器、52…ブラケット 100…マイクロプロセッサ（CPU） 101…データバス（セレクトバス） 102…アドレスバス（セレクトバス） 103…制御バス（セレクトバス） 104…メモリー 105…中断発生・タイミング回路（IGTC） 106…I/0デコーダ（I/0 DEC） 107…キーボード・ディスプレーユニット（KDU） 108…圧力監視ユニット（PMU） 109…溶媒配合制御ユニット（SMC）（溶媒配合回路） 110…ステップモータ駆動回路 111,112…ライン 113…セレクトバス 114…クロック発生器 115,116…ライン 120…クロック入力 121,122,123…分周器（カウンタ） 124…出力 125,127…分周器 126…分周器（中断発生器） 128…ライン 130…圧力変換器 131…電圧・周波数（V/F）変換機 132…ANDゲート 133,134…分周器（カウンタ） 150,151,152,153,154,155,156,157…タイマー 160,161,162,163…セット−リセット双安定回路 164,165,166,167…電磁弁駆動回路 170,171,172,173…電磁弁 200…シリンダ 201…ピストン 203,204…逆止弁 A_x，B_x，A¹ _x，C¹ _x…ピストンの送出し工程の開始点 A_y，B_y，A¹ _y，C¹ _y…ピストンの送液開始点 A_z，B_z，A¹ _z，C¹ _z…ピストンの送出し工程の終点

Claims (17)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】分離カラムに所望の流量で送液するための
   マルチピストン型往復ポンプを具え、各ピストンはその
   送出し工程中に他のそれぞれのピストンと同じ流量で送
   液するよう配置され、これらのピストンは重なった送出
   し工程を有するように配置され、かつ制御装置によって
   速度が制御されているモータによって駆動される液体ク
   ロマトグラフにおいて、 前記制御配置は、ｍ個のピストンが前記カラムに送液し
   ている第１期間の全体にわたって第１の一定速度でピス
   トンを前進させ、（ｍ＋１）個のピストンが前記カラム
   に送液している第２期間の全体にわたって第２の一定速
   度でピストンを前進させ、第２の一定速度が第１の一定
   速度のm/（ｍ＋１）倍である制御信号（ただし、ｍは整
   数、（ｍ＋１）はポンプに設けられている全ピストン数
   より小さいかあるいは等しい整数を示す）を発生するよ
   うに配置されており； 前記制御装置は各ポンプサイクルにおけるポンプの送出
   し圧力を監視する手段、およびあるサイクルにおけるピ
   ストン速度変化時期を前のサイクルで圧力増加が検出さ
   れている場合には前進させあるいは前のサイクルで圧力
   低下が検出されている場合には遅延させる手段を具える ことを特徴とする液体クロマトグラフ。
2. 【請求項２】制御装置はポンプサイクルにおける所定の
   点と一致するように発生させた中断信号に反応するよう
   配置されたマイクロプロセッサを具える特許請求の範囲
   第１項記載の液体クロマトグラフ。
3. 【請求項３】中断信号は各ピストンの送出し工程の開始
   時、各ピストンの送出し工程の終了時、およびピストン
   の速度変化時期に発生する特許請求の範囲第２項記載の
   液体クロマトグラフ。
4. 【請求項４】軸エンコーダは前記モータによってポンプ
   と同期させて駆動し、前記軸エンコーダから１つの中断
   が引出される特許請求の範囲第２項又は第３項記載の液
   体クロマトグラフ。
5. 【請求項５】前記軸エンコーダはシングルカットアウト
   を有するディスクおよび光学式検出器を具える特許請求
   の範囲第４項記載の液体クロマトグラフ。
6. 【請求項６】ポンプは電気的ステップモータによって駆
   動され、制御装置は前記ステップモータを駆動するため
   の駆動回路に供給されるステップパルスを発生し、前記
   中断信号のうちの少なくとも若干は前の中断以降に発生
   したステップパルス数を計算した結果として発生する特
   許請求の範囲第１〜５項のいずれか１つの項に記載の液
   体クロマトグラフ。
7. 【請求項７】制御装置はプログラム可能なカウンターを
   具え、マイクロプロセッサは各中断が起こった場合に次
   の中断信号によって後で所定数のステップパルスを発生
   させる出力が生じるようにカウンターをプログラムする
   よう配置されている特許請求の範囲第６項記載の液体ク
   ロマトグラフ。
8. 【請求項８】各ピストンの送出し工程の開始時に発生す
   る中断信号は、次のピストンの送出し工程の開始後に速
   度変化時期の計算を開始させる特許請求の範囲第７項記
   載の液体クロマトグラフ。
9. 【請求項９】速度変化時期は圧力上昇又は圧力低下の大
   きさに比例する時間によって前進又は遅延させる特許請
   求の範囲第１〜５項のいずれか１つの項に記載の液体ク
   ロマトグラフ。
10. 【請求項１０】速度変化時期は圧力上昇又は圧力低下の
    大きさに比例する時間によって前進又は遅延させる特許
    請求の範囲第６〜８項のいずれか１つの項に記載の液体
    クロマトグラフ。
11. 【請求項１１】速度変化時期はステップモータのkMpス
    テップ（ただし、ｋは定数、Mpはポンプ出口における圧
    力上昇または圧力低下の大きさを示す）によって前進又
    は遅延させる特許請求の範囲第10項記載の液体クロマト
    グラフ。
12. 【請求項１２】流量が増加した場合には次のポンプサイ
    クルにおけるピストン速度変化時期を流量変化によって
    決まるファクターによって遅延させ、流量が減少した場
    合には次のポンプサイクルにおけるピストン速度変化時
    期を流量変化によって決まるファクターによって前進さ
    せる特許請求の範囲第１〜11項のいずれか１つの項に記
    載液体クロマトグラフ。
13. 【請求項１３】第２期間は、流量が増加した場合には一
    層早い時期に、送出し圧力が上昇した場合には一層遅い
    時期に終わる特許請求の範囲第１〜12項のいずれか１つ
    の項に記載の液体クロマトグラフ。
14. 【請求項１４】ポンプが二ピストン型ポンプである特許
    請求の範囲第１〜13項のいずれか１つの項に記載の液体
    クロマトグラフ。
15. 【請求項１５】モータはカム装置を介してピストンを駆
    動する特許請求の範囲第１〜14項のいずれか１つの項に
    記載の液体クロマトグラフ。
16. 【請求項１６】カム装置は各ピストンに対してそれぞれ
    １個の別個のカムを具え、これらのカムは共通軸上に取
    付けられているかあるいは共通軸と一体に形成されてい
    る特許請求の範囲第15項記載の液体クロマトグラフ。
17. 【請求項１７】カムはその一定の角速度が一定の送出し
    ピストン線速度を生じるような形状である特許請求の範
    囲第15項記載液体クロマトグラフ。