JPS59131782A - ダイヤフラム・ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の技術分野〕 本発明は、送出される流体の脈動を低減させたダイヤフ
ラム・ポンプに関する。

〔発明の技術的背景及びその問題点〕

ダイヤフラム・ポンプは、通常のピストン・氷送出され
るべき流体の汚染の一因となり易いような部材を含まな
いものであるので、広く用いられている。ダイヤフラム
・ポンプにおいては、ダイヤフラムは機械要素により直
接駆動されるのではなくて、流体の圧力媒体を介して駆
動される。圧ピストンについては密封性は特に問題とは
されない。というのも圧力媒体が漏出したとしても、こ
の媒体はピストンとダイヤフラムとの間に圧力媒体を自
動的に補充する圧力媒体リザーバに回収され得るからで
ある。この種のポンプでは、ダイヤフラムは、送出され
る流体と圧力媒体との間の境界を成す。

高圧液体クロマトグラフィーは、上記の様なダイヤフラ
ム・ポンプの適用分野の１つである。この技術の発展は
、絶えず流量を減少させつつ圧力を高める方向を目上し
ていた。ここにおいて、ダイヤフラム・ポンプの設計に
固有の問題、すなわち送出される流体の流れが脈動する
という問題がある。ダイヤフラム・ポンプを液体クロマ
トグラフィーに用いるときは、この脈動によって分析の
質が損なわれないことを保証するに充分な程度までこの
脈動を減衰させねばならない。この減衰を行なうため、
一般に減衰器（ｄａｍｐｅｒ）が設けられる。この減衰
器は送出される媒体を内包しており、圧力が上昇すると
きは容積が増大し、また圧力が低下するときは、容積が
減少するように構成されている。斯くして、「容量効果
」、つまりポンプにより送出される流体の一部分が圧力
和の間は蓄積され、圧力が高圧端から低下する期間であ
るポンプの他の動作相の間に流体抵抗を介して再び放出
されるという動作が得られる。このようにして、成る程
度の流れの一様性が得られる。

この種の減衰器は、１９８０年９月１６日発行の米国特
許第４，２２２，４１４号（発明者Ａｃｈｅｎｅｒ）に
記載されている。この特許によれば、送出される流体は
、圧縮性流体が入った密封チャンバ内に浸漬された膨張
可能な密封プラスチック管に通される。送出流体中の圧
力パルスの減衰は、圧縮性流体中へのプラスチ・ツク管
の半径方向の膨張によってなされる。ブルドン管（Ｂｏ
ｕｒｄｏｎ　ｔｕｂｅ）及び圧縮性流体の組合せ若しく
はばね付勢型ダイヤフラムもまた上記の減衰技術の代表
的な例である。これら従来技術にかかる減衰器の作用は
、電気回路における抵抗及び容量素子の作用に類似して
いる。すなわち、この場合の減衰作用はポンピング周波
数の関数なのである。更に、減衰素子の平衡容積は送出
される流体の絶対圧力が上昇するに従って増大するので
、近時の高圧液体クロマトグラフィーには不都合な無効
容積（ｄｅａｄ　ｖｏｌｕｍｅ　）の増大を招来する結
果となる。例えば、絶えず流量を減少させつつ絶えず圧
力を高めようとする今日の傾向を考慮すると、たとえ１
ｍｌの無効容積といえども高圧液体クロマトグラフィー
におけるクロマトグラムのピークをかなり広げるもので
あるから、これを容認することはできない。

１９７６年１０月５日発行の米国特許第３．９８４．３
１５号（発明者Ｅｒｎ５ｔ外）には、従来の抵抗−容量
型減衰器における限定された範囲でしか充分に動作しな
いという欠点を良（克服する減衰装置が記載されている
。この装置においては、減衰チャンバの剛性を調整する
ため、手動調整可能のスプリングがダイヤフラム減衰器
のダイヤフラムに接続されている。高絶対流体圧下で用
いるときは、このスプリングを手動操作で圧縮すること
によりダイヤフラムの実効剛性を高めて減衰チャンバの
無効容積の増大をおさえる。低流体圧時は、該剛性は圧
力の低さに応じて低く調整される。このようにして、所
定のポンプ運転圧力条件に対して減衰作用ことが不便で
あり、また液体クロマトグラフィーでは運転圧力が常に
一定であるとは限らないということである。すなわち、
スプリング圧力を予め一定に設定しておいた場合、絶対
圧力が低下すれば減衰作用が低下するし、また絶対圧力
が高くなれば無効容積が増大するのである。

ダイヤフラム・ポンプの第２の欠点は、ピストンとダイ
ヤフラムとの間に生ずる油圧を調整する手段を設ける必
要があることに関連する。油圧によってダイヤフラムが
最大限まで撓んだ後は、ダイヤフラム・ポンプのピスト
ンがそれ以上移動すると、ダイヤフラム圧力を越えて油
圧が急速に上昇し、ダイヤフラム、ポンプシール、及び
弁を損なう危険がある。この問題の解決のため、従来技
術では、圧力媒体チャンバ内のピストン及びダイヤフラ
ム間に圧力調整弁を設けて高圧の圧力媒体を排出してポ
ンプの圧力媒体リザーバに戻すか、あるいは予荷重を加
えたスプリングをピストンとその駆動機構との間に設け
ることによりピストンの設定油圧値を越える移動を制限
するという手段によって、過剰油圧の発生をおさえてい
る。いずれの場合にも、あらゆる運転条件、送出圧力に
わたってピストンの各ストローク毎にダイヤフラムを適
切に撓ませるに充分な油圧を保証するため、上限設定油
圧値は、下流に送出される流体の圧力の最大値より大き
な油圧値に設定されねばならない。流体クロマトグラフ
ィーにおいては、その分析結果は殆どの場合ポンプの最
大運転点を相当下回る平均ポンプ圧で得られるから、上
述の従来技術にかかるダイヤフラム・ポンプは通常がな
り酷使されて、シール、弁、その他の部分が早期に摩耗
する。

〔発明の目的〕

本発明は、大送出体積から極小送出体積までのｍｌ囲及
び低圧から高圧までの広い範囲にわたって、大きな無効
容積を生ぜしめることなく、送出される流体の脈動を効
率的に減衰させ得るダイヤフラム・ポンプを提供するこ
とを目的とする。

〔発明の概要〕

本発明のダイヤフラム・ポンプにおいては、そのポンプ
部は送出されるべき流体を減衰部の第１減衰室へ送り込
むとともに、油などの圧力媒体の流れを第２減衰室内に
送り込む。圧力媒体が克服せねばならない流体抵抗を、
送出されるべき流体が克服せねばならない流体抵抗より
やや大きくなる様に構成しておくので、第２減衰室内の
圧力は・第１減衰室内の圧力より成る程度遅れて増減す
る。

第２減衰室には、可変流体抵抗弁を介して大気圧に連通
ずる圧力媒体出口が設けられている。第２減衰室内の圧
力が第１減圧室内の圧力より低いときは、この流体抵抗
は増大し、これにより第１減衰室内の平均圧力と第２減
衰室内の圧力とが平衡するまで第２減衰室内の圧力が上
昇する。第２減衰室内の圧力が第１減衰室内の圧力より
高いときは、上記の弁の流体抵抗は減少し、第１減衰室
と第２減衰室との間で再び圧力の平衡状態が得られる。

ポンプ部の圧力媒体室と第２減衰室との圧力が平衡する
には遅れ時間が伴うので、圧力媒体室内に発生する圧力
の脈動は第２減衰室には伝達されない。よって、第２減
衰室内の圧力は、絶対圧力レベルには無関係に、第１減
衰室内の脈動する圧力の平均値に常に等しい。これによ
り、第１減衰室と第２減衰室との間の弾力性のある隔壁
が一定の平均位置に対して常に前後に動き、その結果、
絶対圧力に拘わらず第１減衰室の平均容積が常に一定に
保たれる。従って、絶対圧力が変化しても無効容積は変
化しない。

も適する様な、０．１　ｍｌのオーダーの小さな容積を
有することができる。よって、第１減衰室の容積を小さ
くすることができ、また、絶対圧力が変動しても平均容
積を一定に保つことができるので、本発明は広い運転圧
力範囲にわたって使用されるダイヤフラム・ポンプに適
するものである。更に、第１減衰室はポンプ部に対して
一定平均化負荷として作用するので、ポンプのポンピン
グ室は、送出されるべき流体の所望の出力圧を僅かに越
える圧力に加圧されればよい。その結果、連続的に最大
運転ポンプ圧で運転せねばならない従来のポンプに比べ
、本発明のダイヤフラム・ポンプのポンプ部自体は摩耗
や裂は傷を生じ難い。

特に、第１減衰室と第２減衰室との間の弾性隔壁、すな
わちダイヤフラムは、流体抵抗可変の弁の一部品として
使用できるものである。この目的のため、第２減衰室の
排出用開口を弾性隔壁の近傍に設ける。そして第１減衰
室と第２減衰室との圧力の差に応じて排出用開口を弾性
隔壁が覆う程度が変化する様に構成する。

〔発明の実施例〕

以下、図面を参照して本発明の詳細な説明する。

第１図は本発明の一実施例のブロック図である。

第１図において、１１はダイヤフラム・ポンプのポンプ
部である。ポンプ部１１は、溶媒リザーバ５から液体ク
ロマトグラフィー（以下Ｌｃと称す）カラム等の負荷７
へ送出されるＬＣ用の溶媒等の流体用のポンピング室１
３を含んでいる。ボビング室１３からダイヤフラム１５
を隔てて油又はその他の適当な圧力媒体の満された圧力
媒体室１７が設けられている。ピストン１９はクランク
機構２１により駆動され、圧力媒体室１７内で往復運動
する。

ている溶媒リザーバ５に接続され、他方では出ヵ弁２７
を介して高圧喜２９に接続されている。圧力媒体室１７
は、一方では入力弁３１及び吸入管杭素子３９は一定の
流体抵抗を与える。出力弁３７が開くために要する圧力
は、出力弁２７を開がせる圧力よりかなり高くなる様に
設計されている。

減衰部４３内には、可撓性を有するダイヤフラム４９に
よって互いに隔てられた第２減衰室４５及び第１減衰室
４７が設けられている。第１減衰室４７は溶媒用の高圧
管２９に連通し、一方策２減衰室４５は圧力媒体管４１
に連通している。接続管５１．５３は、それぞれ第１減
衰室４７及び第２減衰室４５を差動圧力制御弁（ｄｉｆ
ｆｅｒｅｎむ１ａｌｐｒｅｓｓｕｒｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ
ｌｅｄ　ｖａｌｖｅ　）　５５に接続する。

差動圧力制御弁５５は、可撓性を有するダイヤフラム６
１によって隔てられた第１圧力室５７及び第２圧力室５
９を有する。第１圧力室５７は溶媒用の接続管５１に連
通し、一方策２圧力室５９は圧力媒体用の接続管５３に
連通している。第１圧力室５７には、負荷７に送出され
る溶媒用の出力管６３も接続されている。圧力媒体ベン
ト６５は第２圧力室５９から圧力媒体リザーバ３５−・
通じている。

圧力媒体ベント６５の末端の第２圧力室５９内側はダイ
ヤフラム６１の近傍に位置する開口６７となっている。

第１圧力室５７内の溶媒の圧力が第２圧力室５９内の圧
力媒体の圧力よりも高いと、ダイヤフラム６１は開口６
７の方に撓められる。

逆に、第２圧力室５９内の圧力媒体の圧力が第１圧力室
５７内の溶媒の圧力よりも高くなると、ダイヤフラム６
１は開口６７から離れる方向に変形する。ダイヤフラム
６１と開口６７との相互作用により、ダイヤフラム６１
が開口６７に接近するにつれて圧力媒体ベント６５内を
流れる圧力媒体に対する流体抵抗が連続的に増加する。

上記装置の作用を以下で説明する。ピストン１９の往復
運動により、圧力媒体室１７内の圧力媒体が動き、その
結果ダイヤフラム１５が動く。そその結果、入力弁２３
及び出力弁２７がそれぞれ開閉し、溶媒が吸入管２５か
ら高圧管２９に送出される。溶媒の送出が脈動的になさ
れるのは、斯かる装置の本質的な特徴である。脈動を除
去ないしは大幅に低減するため、溶媒は初めに減衰部４
３の第１減衰室−４７内に供給される。一方、ポンプ部
１１の圧力媒体室１７側においても、入力弁３１及び出
力弁３７とピストン１９との共同作用により圧力媒体室
１７は通常のピストン・ポンプとして働き、圧力媒体を
圧力媒体リザーバ３５から減衰部４３の第２減衰室４５
へ送出する。しかしながら、出力弁３７が応答して開く
には出力弁２７より高い圧力が必要な様に設定しておく
ので、この作用（すなわち圧力媒体リザーバ３５から第
２減衰室４５への圧力媒体の送出）は、ボンピング室１
３における熔媒送出相の終了した時にはじめて開始され
る。また圧力媒体室１７から送り出された圧力媒体の流
れは抵抗素子３９を通過せねばならないので、高圧管２
９内の溶媒より著しく高い流体抵抗を克服せねばならな
い。従って、第２減衰室４５内の圧力は、第１減衰室４
７内の圧力にある程度遅れて追従する。

第２減衰室４５の容積は充分に大きくしておきつ動作圧
力条件（高圧ＬＣでは５００　ｂａｒに及ぶ）の下で第
２減衰室４５内の圧力媒体の圧縮率が充分に大きくなり
、その結果第１減衰室４７の容積の変化量が充分大きく
なる様にしておく。これにより、高圧管２９内の脈動を
所望の程度に減衰させ圧力媒体用油を入れておいて良い
。

第２減衰室４５内の圧力は、溶媒が入っている第１減衰
室４７内の平均圧力に常に追随して変化する。なんとな
れば、差動圧力制御弁５５の溶媒ヤフラム６１が変位し
、これにより圧力媒体ベント６５の末端である開口６７
とダイヤフラム６１との間隔が変化するためである。す
なわち第１圧力室５７の方が高圧になれば前記間隔が狭
くなり、第２圧力室５９から開口６７を経由する圧力媒
体排出の抵抗が大きくなり排出量が減少する。その結果
、第２圧力室５９内の圧力が上昇する。また第２圧力室
５９の方が高圧になった場合も、上と逆の動作により、
開口６７からの圧力媒体排出の抵抗が減少し、その結果
、第２圧力室５９内の圧力が減少する。抵抗素子３９及
び開口６７内の流体抵抗は、第２減衰室４５内の圧力の
変動を第１減衰室４７の圧力の変動に比して緩慢にする
働きを持つ。このようにして、第１減衰室４７に対する
準静的対抗圧力（ｑｕａｓｉ−ｓｔａｔｉｃ　ｃｏｕｎ
ｔｅｒ　ｐｒｅｓ−ｓｕｒｅ）が得られる。この対抗圧
力は常に第１７ＩＩｉ、衰室４７内の平均圧力に等しく
なるので、ダイヤフラム４９は、系内の絶対圧力が鋭化
しても、絶えずその中立位置を中心として前後に動く。

もし仮に、第２減衰室４５が、作動圧力制御弁５５には
接続されていないという意味で閉じた系であるとするな
らば、第１減衰室４７内の圧力上昇にともなってダイヤ
フラム４９は第２減衰室４５内に向かって膨れ上がって
しまい、その結果、圧力上昇にともなって第１減衰室４
７の無効容積が増大するということになってしまうだろ
う。しかしながら本発明においては、このような事態は
上記の構成によって防止される。

第２図は、第１図に示したダイヤフラム・ポンプの実用
的実施例の略図である。ポンピング室１１３と圧力媒体
室１１７とはダイヤフラム１１５によって隔てられてい
る。圧力媒体室１１７内ではピストン１１９が往復運動
する。ピストン１１９は、クランク機構１２１を介して
モータ１２２により駆動される。

ポンピング室１１３は、入力弁１２３を介して入力弁１
３１を介して媒力媒体リザーバ１３５に連通ずる。また
、圧力媒体室１１７を減衰部１４３内の第２減衰室１４
５に連続するため、出力弁１３７及び流体抵抗ループ１
３９が設けられている。出力弁１３７と流体抵抗ループ
１３９との間の接続管１４１には圧力リリーフ弁１４２
が接続されている。圧力リリーフ弁１４２は、送出され
る溶媒の流れが何らかの理由で遮られたとき急上昇しよ
うとする圧力を逃がしてやることにより、ダイヤフラム
・ポンプの諸要素の損傷を防止する。

減衰部１４３は、ダイヤフラム１４９を有する第２減衰
室１４５を含む。第１減衰室１４７は、溶媒用の高圧管
１２９に連通ずると共に、他方では溶媒用の出力管１６
３にも連通している。第２減衰室１４５は、流路１４８
，１５０を介して弁室１５２に連通している。ダイヤフ
ラム１４９の周辺部は、第１減衰室１４７と弁室１５２
との間に固定されている。第１減衰室１４７及び弁室１
５２の形状は、ダイヤフラム１４９がいずれの側にも損
傷することなく接し得るような形状であることが望まし
い。

圧力媒体ベント１６５は開口１６７を介して弁室１５２
に通じている。開口１６７の開度は第１減衰室１４７と
第２減衰室１４５（つまり弁室１５２）との圧力差に応
じて変化する。この作用は第１図の差動圧力制御弁５５
とほぼ同様である。

第２図に示したダイヤフラム・ポンプは、送出される流
体の無効容積を僅か５０μｌに保ったままで４５０ｂａ
ｒの静水圧が得られるような小寸法に構成することがで
きる。この減衰部を用いることにより、出力管１６３内
の圧力変動を１Ｑｂａｒにおさえることができる。従来
の受動減衰装置を用いたとすれば、４５０　ｂａｒの圧
力を得る場合、無効容積は１　ｍｌになってしまう。

第３図は、第２図中の減衰部１４３に類似した構成の減
衰部２４３の詳細を示す部分断面図である。ここにおい
て、第２減衰室２４５は流路２４Ｂ、２５０を介して弁
室２５２に連通している。弁室２５２と第１減衰室２４
７とはダイヤフラム２４９により隔てられている。第１
減衰室２４７には、ポンピング室からの高圧管２２９が
、接続されており、更に出力管２６３が接続されている
。

第２減衰室２４５は、流体抵抗華−１２３９及び接続管
２４０を介して、ポンプ部の圧力媒体室（第３図には示
さず）からの出力弁２３７に連通している。第２図に示
した構成と同様に、圧力リリーフ弁２４２が接続管２４
０に接続されている。

圧力媒体ベント２６５は開口２６７を介して弁室２５２
に通じている。開口２６７は突出部２６８に設けられて
いるが、その形状について以下に詳しく説明する。

減衰部２４３は、ねじ２７５（第３図には１本のみ図示
）によって締着された２つのハウジング部２７１，２７
３を含む。ハウジング部２７１゜２７３の間に設けられ
たインサート２７７は２つの流路２４８，２５０と開口
２６７とを含んでいる。ここで用いられる個々の部材は
、送出される流体に適した耐圧耐食材料で構成すること
ができる。例えば、第３図に示した各種の管は耐食鋼製
毛管で構成し、市販の継手２７９を用いて減衰部２４３
のそれぞれの部分に液密に接続してよい。

第２図に示した構成と同様に、ダイヤフラム２４９に対
向するハウジング部２７３及びインサー）２７７の面に
は、僅かな丸みが与えられており、これによりダイヤフ
ラム２４９がどちらの面に接触しても損傷しない様にし
ている。また、ダイヤフラム２４９がこれらの面に付着
しないことを保障するため、これらの面を充分粗く仕上
げ、ダイヤフラム２４９が吸着されない様にする。仕上
げを粗くするかわりに、これらの面に溝を設けてもこの
目的を達成することができる。

第４図は、開口２６７及びその周囲部分の好ましい実施
例をやや拡大して示す図である。円２７０は球状の突出
部２６８の外郭線を画定しており、その中心に開口２６
７かある。球状の突出部２６８上に、開口２６７から放
射状に延長される溝２８１．２８３が設けられている。

溝２８３は溝２８１よりやや短い。例えば、溝２８３の
長さは２ｍｍ、溝２８１の長さは３ｍｍである。溝２８
１゜２８３は断面が三角形であり、開口２６７から離れ
るにつれて平たくなる。さて、ダイヤフラム２４９が球
状の突出部２６８に全面的に接触しているときは、開口
２６７は完全に閉じている。ダイヤフラム２４９が球状
突出部２６８から離れて持ち上がり始めると、溝２８１
の端部が先ず開放され、圧力媒体が第２減衰室２４５か
ら開口２６７内に少しづつ流入し得るようになる。ダイ
ヤフラム２４７が球状の突出部２６８から離れて持ち上
がり続けると、溝２８３も圧力媒体流出に寄与し始める
から、圧力媒体の通過し得る断面積が増大する。終に、
ダイヤフラム２４９が突出部２６８から完全に離れてし
まうと、流体抵抗はダイヤフラム２４９と開口２６７と
の間の間隔のみに依存して定まる。

溝２８１，２８３は、ダイヤフラムの位置に応じて圧力
媒体の流れに対する流体抵抗が清らかに変化することを
保証する。溝２８Ｌ２８３はまた、ポンプ部からの圧力
媒体の流量を調節して、減衰の安定性を得るために必要
な特定の流体抵抗に適合させるための手段となる。よっ
て、溝２８１２８３は、圧力媒体の流量を太き（とりた
いときには大きく、また流量を小さくしたいときには小
さくする。

本明細書に記載した実施例は本発明の教示内容を限定す
るものではない。例えば、第１図中の差動圧力制御弁５
５は、差動圧力変換器とモータ駆動式若しくは電動式の
弁とから構成され得るものであることは当業者には明ら
かであろう。この場合、差動圧力変換器は、減衰部４３
内の溶媒及び圧力媒体の間の平均圧力変動を電気的に検
知する。

そしてこの検知結果をフィートノでツクすることにより
、電動弁を通る圧力媒体に与える流体抵抗と第１ｉ７！
衰室４７内の圧力とを電気的に制御する。

このようなシステムは、過渡応答を制限する電気的フィ
ルタを組込むことにより、減衰作用を一層安定化するこ
とができる。また、ダイヤフラム４９及び第１減衰室４
７を延びる材質の密封プラスチック管で構成し、これを
第２減衰室４５中に浸漬しても良いことも明らかであろ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるダイヤフラム・ポンプのブロッ
ク図、第２図は本発明にかかるダイヤフラム・ポンプの
断面図、第３図は本発明にかかるダイヤフラム・ポンプ
の減衰部の部分断面図、第４図は本発明にかかるダイヤ
フラム・ポンプ中で用いられる開口及びその周囲部分を
示す図である。 ５：溶媒リザーバ、７：負荷、１１：ポンプ部。 １３．１１３：ボンピング室。 １５．４９．６１，１１５，１４９，２４９：ダイヤフ
ラム。 １７．１１７：圧力媒体室。 １９．１１９’：ピストン。 ２３．３１，１２３，１３１：入力弁。 ２７．３７，１２７，１３７．２３７７出力弁。 ３５．１３５：圧力媒体リザーバ。 ３９：抵抗素子、４３，１４３，２４３：減衰部。 ４５．１４５，２４５：第２減衰室。 ４７．１４７．２４７：第１減衰室。 ５５：差動圧力制御弁。 ６５．１６５．２６５：圧力媒体ベント。 ６７．１６７．２６１：開口。 １３９．２３９：流体抵抗ループ。 １４２．２４２：圧力リリーフ弁。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 送出されるべき流体が入る第１室と、ダイヤフラムによ
   り前記第１室と分離されるとともに加圧機構により圧力
   が与えられる圧力媒体が入る第２室とを有するポンプ部
   、及び前記第１室と連通し前記第１室から入力された前
   記流体の脈動を減衰して出力する第１の部分を有する減
   衰部とを設けたダイヤフラム・ポンプにおいて、前記減
   衰部は更に前記第２室に連通ずる第２の部分と、前記第
   １の部分と前記第２の部分との間に設けられ圧力に応じ
   て変位可能な境界手段とを有することを特徴とするダイ
   ヤフラム・ポンプ。