JPS636758B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は液体クロマトグラフの緩衝液を移送す
るに用いる送液装置に係り、特に、プランジヤポ
ンプの吐出液流量の脈動を防止する手段の改良に
関するものである。

液体クロマトグラフ等においては緩衝液を流通
させるために液体圧送用のプランジヤポンプが用
いられるが、分析精度を確保するために常時設定
量を送出することが肝要である。そのために一対
のプランジヤを180゜位相を異にして作動させ一定
の吐出量を得るように構成している。

第１図はプランジヤポンプの構造を説明する図
である。このプランジヤポンプの本体は左右両端
にチエツク弁１ａ，１ｂをもつており、これに嵌
入されたプランジヤ５ａ，５ｂはボール９を介し
てカム１０に接触している。チエツク弁１ａ，１
ｂは断面で示してあるが、一対のボール３を収容
した吐出側弁室２ａ，２ｂと吸入側弁室４ａ，４
ｂをもつており、この両室を連通する通路に直角
なシリンダ部を設けてプランジヤ５ａ，５ｂを嵌
入させている。このシリンダ部にはＯリング６が
設置され、プランジヤ５が移動してもチエツク弁
１内の緩衝液等が洩れないようにしている。プラ
ンジヤの他端はカムフオロア８に固定されてお
り、プランジヤ５に巻回したコイルばね７でカム
フオロア８を本体中心側に移動させようとしてい
る。なお、チエツク弁１ａ，１ｂおよび本体中心
に存在するカム軸１１の位置は固定されている。

カムフオロア８はボール９を転動可能に収容し
ており、ボール９はカム１０のカム面に常時押圧
されている。カム１０はパルスモータ１５によつ
て回転させられるカム軸１１に固定されている。
また、カム軸１１には円板状のチヨツパ１２が固
定されており、チヨツパ１２には180゜離れた所に
一対の切欠み細隙１４が設けられている。光電検
知器１３はチヨツパ１２の下側に設置した発光ダ
イオード等の小光線と対向し、チヨツパ１２が回
転して光通過部となる切込み細隙１４を通つた光
を受光したときは出力信号を発生する。即ち、光
電検知器１３とこれに対向する小光源は上記チエ
ツク弁１と共にプランジヤポンプの本体に固定さ
れている。

このように構成されたプランジヤポンプの動作
の概略を次に説明する。カム１０がパルスモータ
１５によつて矢印の方向に回転させられると、カ
ム１０のカム高さが減少しプランジヤ５ａはコイ
ルばね７によつて引き出され、吸入側弁室４ａを
開弁して流路１６より液収容室４０ａ内に緩衝液
を吸入する。このときは吐出側弁室２ａのボール
３は流路を閉止する。即ち、チエツク弁１ａは吸
入行程となる。一方、プランジヤ５ｂはカム１０
のカム高さが増加するので、コイルばね７ｂを圧
縮し液収容室４０ｂを狭めるようにチエツク弁１
ｂのシリンダ内を前進する。したがつて、吐出側
弁室２ｂを開弁させると共に吸入側弁室４ｂを閉
弁し、チエツク弁１ｂ中の緩衝液を流路１６に押
し出す。即ち、チエツク弁１ｂは吐出行程とな
る。このようにしてカム１０が更に回転するとチ
エツク弁１ａとチエツク弁１ｂの行程は全く反対
となるので、吐出側の流路１６には常時一定流路
の緩衝液等を流通させるようになる。なお、カム
１０の形状は一対のボール９の接点間の距離が一
定であることが基準となつている。

第２図は第１図のプランジヤポンプによる吐出
吸入行程を説明する線図で、横軸は時間の径過を
示し、縦軸は横軸より上側は吐出量を、下側は吸
入量を示している。図において実線Ａは第１図の
チエツク弁１ａの動作を示し、破線Ｂは第１図の
チエツク弁１ｂの動作を示すと考えて良い。第１
図の説明では簡単にチエツク弁１ａが吸入行程の
ときはチエツク弁１ｂは吐出行程に入ると説明し
たが、液体クロマトグラフの場合は吐出流路１６
に大きい流路抵抗体であるカラムが接続されてあ
るので、液圧が高まるまでは吸入行程が行われず
実際には吸入工程に要する時間は短縮され吐出行
程はオーバラツプするようになる。即ち、第１図
のように両プランジヤ５ａ，５ｂが等しいカム高
さの位置にあるときは、第２図においては実線Ａ
の吸入行程に入る以前の状態である。なお、実線
Ａについていえば吸入量である四角形の面積と時
間軸の上側の台形の面積は等しく、時間軸の上側
の実線Ａの高さと破線Ｂの高さとの和が一定であ
るので吐出量は一定で脈動は生じない。

上記第２図の場合はカム１０の回転速度を常に
同一速度とした場合であるが、脈流を生じさせな
い方法として第３図のように変化させることが考
えられる。

第３図はカム１０の回転速度を段階的に変化さ
せて吐出量の和を一定になるようにした場合であ
る。即ち、プランジヤ５ａ，５ｂの動きを２段に
変化させることによつても吐出量の脈流は防止で
き、この場合はパルスモータ１５の回転数を２倍
にすれば良いので比較的簡単な操作によつて可能
となる。

しかるに実際上は、高速液体クロマトグラフの
ように吐出液圧が高い場合にはポンプ室内のシー
ル等の圧縮変形や液体の圧縮があるので、上記の
ようにしても脈流を防ぐことはできないし吐出流
量は低下する。

これを防止するためにプランジヤ５が吸入から
吐出行程に移る際に一定時間だけカムの回転速
度、即ち、プランジヤの移動速度を高めて設定流
量を保つ方法を第１図の如き送液装置に採用する
ことが考えられる。第４図および第５図は区間Ｐ
−Ｑおよび区間Ｒ−Ｓにおいてカム１０の回転速
度を高めて吐出流量を増加させると共に脈流を防
止したものである。この場合は、吐出液の流量又
は圧力を検出してカム１０の回転速度を制御する
ことが行われている。

しかるに第１図におけるカム１０の回転速度を
変化させる方法は、吐出圧力等の検出の遅れとカ
ムの回転制御の時間的な遅れがあるので、プラン
ジヤ移動方向を変更する際の脈動を十分に除くこ
とができない。特に、第４図のＰ、Ｑ点および第
５図のＲ、Ｓ点のようにプランジヤ５の移動速度
が急激に変化する時点では流路抵抗負荷が高いほ
ど脈流の影響が大きい。

本発明の目的は、下流に高圧力負荷の流路抵抗
があつても、脈流の影響を排除し得る液体クロマ
トグラフ用送液装置を提供することにある。

本発明では、パルスモータによつて駆動される
回転カムの運動によつて２つのプランジヤを往復
動させ、これらのプランジヤの相補的運動によつ
て総合的に送出される緩衝液を流路抵抗の大きな
カラムへ供給する液体クロマトグラフ用送液装置
において、上記カムの回転軸に少なくとも一方の
プランジヤによる吐出行程開始点に対応する目印
を有する回転板を設け、上記回転板の回転にとも
なつて上記目印を検出する光検出器を設け、上記
送出された緩衝液の圧力を検出する圧力計を設
け、上記２つのプランジヤが共に吐出行程である
区間の内、上記光検出器から信号が得られたとき
から上記圧力計からの流量復帰信号があるまでの
領域を残りの領域の２倍の速度で上記カムを回転
するように構成したことを特徴とする。

第６図は本発明の一実施例であるプランジヤポ
ンプを用いた液体クロマトグラフのブロツク図で
ある。緩衝液槽１７からプランジヤポンプ１８へ
吸入された緩衝液は、吐出時の圧力を圧力検出器
１９によつて検出される。この場合圧力検出器１
９の代りに流量検出器を用いることも可能で、要
するに連続的に送液流量を検出するものであれば
良い。

圧力検出器１９を通つた緩衝液は試料導入部２
３で瞬間的に導入された試料液を挾んだ状態でカ
ラム２４内に入る。カラム２４内にはイオン交換
樹脂等が充填されているので、これを通過する間
に試料成分が分離されて時間差をもつて流出す
る。このように順次に溶離されてカラム２４から
流出する緩衝液中の試料成分は光学的又は電気化
学的な検出器２５で検出される。

上記圧力検出器１９の出力信号はマイクロコン
ピユータ２０に入力されて処理され、制御装置２
１を介してパルスモータ１５の回転数を制御しプ
ランジヤポンプ１８の吐出液量が一定になるよう
にしている。

第１図のプランジヤポンプにおいて、カム１０
の回転角度をθとしボール９が接する位置のカム
高さ（カム軸１１からの距離）をＬとすると、第
７図に示すような曲線で表わされる。この図は
90゜間隔のカム高さＬを直線で結んだので析れ線
となつているが、実際のカム面の形状は連続的に
曲率を変化させているので、これらの点を通る曲
線となつている。

第８図は第１図のプランジヤポンプによる吸入
量と吐出量の状態を示す線図で、横軸は第７図と
対応させたカム１０の回転角θである。但し、こ
の図は吐出側と吸入側が等しい圧力、例えば常圧
になつている場合で、吸入は間欠的に行われても
吐出量は常に一定となつている。また、この図は
横軸を時間で示した第２図、第３図の実線Ａと破
線Ｂの合計吐出流量と同じことを表わしている。

次に、カム１０の回転速度を途中で変化させた
段階的な制御の場合をカム１０の回転角θとの関
係で示せば次のように表わすことができる。

0゜＜θ＜90゜ dL／dθ ……(1) 90゜＜θ＜180° dL／dθ＝2m ……(2) 180゜＜θ＜270゜ dL／dθ＝ｍ ……(3) 270゜＜θ＜360゜ dL／dθ＝−4m ……(4) 但し、ｍは正の値である。

第９図は吐出側圧力が高い場合の吐出・吸入量
を示す線図で、吐出側のプランジヤ５が切換わる
時である点Ｔ−点Ｕ間においては吐出量が低下す
る。このような吐出量の脈動を防ぐためにはＴ−
Ｕ間においてカム１０の回転速度を２倍にすれば
良い。これは第３図に示すような段階的な流量制
御を行う場合である。

第１０図は第６図の制御装置の回路図である。
圧力検出器１９は圧電変換素子を備えており、そ
の出力は増幅器３２によつて増幅され、Ａ／Ｄ変
換器３３によつてデジタル化されマイクロコンピ
ユータ２０に入力される。タイマ２６はパルスモ
ータ１５を駆動するパルスを発生し、そのパルス
間隔はマイクロコンピユータ２０により設定され
る。カウンタ２７は流量の低下点から復帰点まで
のパルス数を計数する。ゲート入力が高い状態(H)
になるとカウンタ２７はカウントを開始し、マイ
クロコンピユータ２０に設定されている値に達し
た時にフリツプフロツプ２８に出力する。このフ
リツプフロツプ２８にはチヨツパ１２の回転によ
る光を検知した光電検出器１３の出力も入力され
るが、光を検知しないときは吐出圧力低下点の手
前でフリツプフロツプ２８の出力はｑ側において
は低い状態(L)、側においてはＨの状態となつて
いる。また、光電検出器１３が光を検知したとき
はフリツプフロツプ２８の出力は反転し、ｑ側が
Ｈ、側がＬの状態となる。

カウンタ２７のカウント値が設定値に達してカ
ウンタ２７の出力がＨの状態になると再び出力は
反転し、ｑはＬ、はＨとなる。したがつて、パ
ルスモータ１５の回転数を検出する光電検出器１
３の出力がフリツプフロツプ２８に供給された
後、マイクロコンピユータ２０で設定したパルス
数、即ち、カム１０が所定角度回転する間はフリ
ツプフロツプ２８の出力はｑ側がＨ、側はＬと
なつている。

タイマ２６の出力は直接パルス選択回路３０に
出力されるものと、分周器２９で1/2の周波に分
周したものとに分れ、パルス選択回路３０に出力
される。このパルス選択回路３０にはフリツプフ
ロツプ２８の出力も供給されているので、その値
がｑ側でＨの場合はタイマ２６の出力がそのまま
増幅器３１に出力され、側がＨの場合は分周器
２９の出力が増幅器３１に出力される。したがつ
て、パルスモータ１５の回転数をマイクロコンピ
ユータ２０に設定した計数に相当する時間だけ２
倍にすることが可能となる。なお、パルス選択回
路３０の出力はマイクロコンビユータ２０の割込
端子にも入力されている。

上記のように制御回路２１はタイマ２６、カウ
ンタ２７、フリツプフロツプ２８、分周器２９お
よびパルス選択回路３０によつて構成され、マイ
クロコンピユータ２０で設定した回転速度でパル
スモータを回転させている。また、プランジヤ５
が吐出行程を開始したときは、その時点からマイ
クロコンピユータ２０が設定したカム１０の回転
角度範囲はカム１０の回転速度を２倍にしてい
る。このマイクロコンピユータ２０の設定値はカ
ウンタ２７の設定値を調節することによつて変更
できる。

第１１図、第１２図はカウンタの設定法を説明
する図である。第１１図はカウンタ２７のカウン
ト値が設定値に達し出力がＨになる点（以後設定
点Ｓと記す）が流量が設定流量に復帰する点（以
後復帰点Ｒと記す）よりも前にある場合で、第１
１図Ａは吐出流量の変化を示し、第１１図Ｂは吐
出圧力の変化を示している。設定点Ｓと復帰点Ｒ
との間は、片方のプランジヤ５が吐出に寄与しな
いので、第１１図Ａのように吐出流量は減少し第
１１図Ｂに示すように吐出液の圧力は低下してい
る。

第１２図は上記とは逆に設定点が復帰点の後に
なる場合で、復帰点と設定点との間は２本のプラ
ンジヤ５が倍の速度で移動するので、第１２図Ａ
のように吐出流量はその間増加する。したがつ
て、第１２図Ｂに示すように吐出液圧は高まる。

したがつて、一対のプランジヤ５が共に吐出行
程にある区間で第１１図Ｂのように吐出液圧が低
下した場合は設定点が復帰点の前にあり、次の区
間において設定点を現在位置よりも後に予測して
カウンタ２７の設定値を定めれば良い。また、逆
に第１２図Ｂのような吐出液圧の変化を示した場
合は、設定点が復帰点の後にあるのであるから、
次の区間で現在位置よりも設定点を前に予測して
カウンタ２７の設定値を定めれば良い。

第１３図および第１４図は上記アルゴリズムの
フロー図である。第１３図はパルスモータ１５の
回転数を検出する光電検出器１３からの割込み処
理を示し、第１４図はパルスモータ１５を作動さ
せるパルスの割込み処理を示す。第１３図におい
て、２個のプランジヤ５が共に吐出行程になつて
いる区間で、吐出液圧が第１１図Ｂまたは第１２
図Ｂのようになるかを判定するアルコリズムは次
のようにして実行される。まず上記区間の初めに
リム１０の角度θを０にリセツトして割込ませ
る。その時の吐出液圧をP₀とするとこれはＡ／
Ｄ変換器３３の出力値に相当する。また、その後
の割込みで用いるP_dおよびP_nを零に初期化する。

パルスモータ１５を作動させるパルスの割込み
を行わせるには、第１４図のフロー図に示すよう
に、第１にカム１０の回転角度が90゜未満であれ
ば回転角θをパルスモータ１５の１パルスに相当
する回転角度だけ増加させる。その時の吐出液圧
ＰとP₀との差（Ｐ−P₀）がP_pよりも大きいとき
はP_pをＰ−P₀とする。また、P₀−ＰがP_nよりも
大きいときはP_nをP₀−Ｐとする。このようにし
てパルスを１つ発生する毎にP₀との圧力差の最
大値および負の圧力差の絶体値を書き換える。

第２の処理として、カム１０の回転角が90゜以
上になつたときはP_pとP_nの大小を比較し、P_p＞
P_nならば吐出液圧は第１２図Ｂのパターンと判
定し、カウンタ２７の設定値を１だけ減らす。こ
れとは反対にP_n＜P_pならば第１１図Ｂ図のパタ
ーンと判定し、カウンタ２７の設定値を１だけ増
加させる。このようにして設定点と復帰点が等し
くなりP_p＝P_nとなるまで、カウンタ２７の設定
値の予測を修正すれば、パルスモータ１５の回転
数は遅れることなく変化し、吐出液圧の変動は生
じない。

本実施例のプランジヤポンプの制御装置は、２
個のプランジヤが共に吐出行程にある区間で生じ
た吐出液圧力の変動をアルゴリズムによつて判定
し、上記の吐出液圧力の変動をなくするようにパ
ルスモータの回転速度、即ち、プランジヤの移動
速度を段階的に変化させることによつて、吐出液
の脈流を除くことができるという効果をもつてい
る。したがつて、液体クロマトグラフの緩衝液の
流速を安定させ、分析精度を向上させることがで
きるという効果を生じている。

上記実施列においては吐出流量の変動を圧力検
出器１９で検出しているが、その代りに流量検出
器を用いても同様な制御を行うことができる。ま
た、上記は段階的にパルスモータ１５の回転数を
変化させて制御する例について述べたが、第２図
のように連続的に吐出流量が変化する場合も一定
流量に制御することが可能である。しかし、次の
ような処理を行わなければならないので上記の場
合よりは複雑となる。即ち、この場合は制御回路
２１においてタイマ２６の出力を分周器２９に入
力する代りに、更に１個のタイマを用いる。パル
スモータ１５に加える信号をマイクロコンピユー
タ２０に割込ませて処理するときに、カム１０の
回転角度θに対応するカム１０の回転速度の補正
をマイクロコンピユータ２０で行わせるようにす
る。即ち、カム１０の回転速度の修正を連続的に
行わなければならない。

片側のプランジヤ５だけが吐出行程にある場合
のタイマ２６の設定値をT₀とすると、補正後の
設定値はＴは次式で与えられる。

Ｔ＝T₀（90−θ）／90 ……(5) なお、上記の実施例は一対のプランジヤを備え
たプランジヤポンプの制御装置について説明した
が、複数個のプランジヤポンプを用いて送液する
場合もある。しかし、その吐出液量の制御方法は
上記実施例の方法が適用できる。

本発明のプランジヤポンプの制御装置は、吐出
側の流路抵抗が大で緩衝液を高圧で送液する場合
でも、脈動のない安定した吐出液を供給できると
いう効果をもつている。

【図面の簡単な説明】

第１図はプランジヤポンプの構造説明図、第２
図、第３図は第１図のプランジヤポンプの工程と
吐出量を比較して示す線図、第４図、第５図は他
の脈動を防止する方法の説明図、第６図は本発明
の一実施例であるプランジヤポンプを用いた液体
クロマトグラフのブロツク図、第７図はカム高さ
の変化を概念的に示す線図、第８図は吸入圧と吐
出圧が等しい場合の吸入流量と吐出流量を示す線
図、第９図は吸入圧よりも吐出圧が高い場合の吸
入液量と吐出液量の変化を示す線図、第１０図は
第６図の制御装置の回路図、第１１図、第１２図
は第１０図のカウンタの設定法を説明する図、第
１３図、第１４図は制御装置のアルゴリズムのフ
ロー図である。 １……チエツク弁、５……プランジヤ、６……
Ｏリング、７……コイルばね、８……カムフオロ
ア、９……ボール、１０……カム、１１……カム
軸、１２……チヨツパ、１３……光電検出器、１
４……切込み細隙、１５……パルスモータ、１７
……緩衝液槽、１８……プランジヤポンプ、１９
……圧力検出器、２０……マイクロコンピユー
タ、２１……制御回路、２２……制御装置、２３
……試料導入部、２４……カラム、２５……検出
器、２６……タイマ、２７……カウンタ、２８…
…フリツプフロツプ、２９……分周器、３０……
パルス選択回路、３１，３２……増幅器、３３…
…Ａ／Ｄ変換器。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ パルスモータによつて駆動される回転カムの
   運動によつて２つのプランジヤを往復動させ、こ
   れらのプランジヤの相補的運動によつて総合的に
   送出される緩衝液を流路抵抗の大きなカラムへ供
   給する液体クロマトグラフ用送液装置において、
   上記カムの回転軸に少なくとも一方のプランジヤ
   による吐出行程開始点に対応する目印を有する回
   転板を設け、上記回転板の回転にともなつて上記
   目印を検出する光検出器を設け、上記送出された
   緩衝液の圧力を検出する圧力計を設け、上記２つ
   のプランジヤが共に吐出行程である区間の内、上
   記光検出器から信号が得られたときから上記圧力
   計からの流量復帰信号があるまでの領域を残りの
   領域の２倍の速度で上記カムを回転するように構
   成したことを特徴とする液体クロマトグラフ用送
   液装置。