JPWO2019082243A1 - 送液装置及び流体クロマトグラフ - Google Patents

Abstract

送液装置は、予圧行程が開始される直前の閉鎖ポンプのポンプ室内の移動相の体積Ｖ、予圧行程によって減少した閉鎖ポンプのポンプ室内の移動相の体積ΔＶ、及び送液圧力Ｐを用いて、ポンプ部から吐出流路へ吐出される移動相の流量ＬＰＲＥの大気圧下についての換算値ＬＡＴＭが設定された流量ＬＳＥＴになるようなプランジャポンプの吐出速度ｖを求めるように構成された吐出速度算出部と、前記吐出速度算出部により求められた吐出速度ｖで前記プランジャポンプを動作させるように構成された吐出動作制御部と、を備えている。

Description

本発明は、複数のプランジャポンプを相補的に動作させることで移動相の送液を安定的に行なう送液装置と、その送液装置を用いる高速液体クロマトグラフ（ＨＰＬＣ）や超臨界流体クロマトグラフ（ＳＦＣ）などの流体クロマトグラフに関するものである。

ＨＰＬＣシステムに用いられる送液装置は、移動相を高圧で安定して送液する能力が求められる。そのため、２つのプランジャポンプが直列又は並列に接続されたダブルプランジャ方式の送液装置が一般的に用いられている。

例えば、２つのプランジャポンプが直列に接続された送液装置は、上流側の一次側プランジャポンプと下流側の二次側プランジャポンプが相補的に動作するものであるが、その吐出行程として一次側プランジャポンプによる送液行程と、二次側プランジャポンプによる送液行程がある。

一次側プランジャポンプによる吐出行程では、一次側プランジャポンプが液を吐出している間に二次側プランジャポンプは吸引動作を行ない、一次側プランジャポンプにより吐出される液の一部を二次側プランジャポンプが吸引する。二次側プランジャポンプによる吐出行程では、二次側プランジャポンプが吐出動作を行ない、その間に一次側プランジャポンプが吸引動作を行なう。

一次側プランジャポンプによる吐出行程では、一次側プランジャポンプの吐出流量から二次側プランジャポンプの吸引流量を差し引いた流量が送液装置の送液流量となり、二次側プランジャポンプによる吐出行程では、二次側プランジャポンプの吐出流量が送液装置の送液流量となる。

このような直列型ダブルプランジャ方式の送液装置は、一次側プランジャポンプの入口側と出口側のそれぞれに逆流を防止するバルブが設けられている。一次側プランジャポンプが吐出動作を行なうときは入口側のバルブが閉じて出口側のバルブが開き、一次側プランジャポンプが吸引動作を行なうときは入口側のバルブが開いて出口側のバルブが閉じるようになっている。

一次側プランジャポンプの吸引動作は出口側のバルブが閉じた状態で行なわれるため、一次側プランジャポンプの吸引動作が完了した後の一次側プランジャポンプのポンプ室内の圧力がシステム圧力（ＨＰＬＣやＳＦＣの分析流路内の圧力）よりも低い状態となる。この状態で吐出動作を行なうポンプを二次側プランジャポンプから一次側プランジャポンプに切り替えると、一次側プランジャポンプのポンプ室内がシステム圧力と同じ圧力に上昇するまで一次側プランジャポンプから液が吐出されず、その結果、一時的に送液流量が低下して送液流量の安定性が低下する。

このような問題から、二次側プランジャポンプによる吐出行程の間に、一次側プランジャポンプは液の吸引動作に加えて、ポンプ室内がシステム圧力に近い圧力にまで高められるようにプランジャを吐出方向へ駆動する予圧動作を行なうことが提案され、実施もなされている（特許文献１、２参照。）。

これは、２つのプランジャポンプが並列に接続された並列型ダブルプランジャ方式の送液装置においても同様であり、一方のプランジャポンプが吐出動作を行なっている間に、他方のプランジャポンプは吸引動作と予圧動作を行なうようになっている。

米国特許第５６３７２０８号 米国特許第９３６０００６号

ＨＰＬＣに用いられる送液装置についての課題として、主に移動相の圧縮性に起因する流量正確さのずれの問題がある。ＨＰＬＣの分析カラムよりも上流側の分析流路内は高圧状態となるため、送液ポンプからは圧縮された状態の移動相が送液される。一方で、分析カラムの出口側では分析流路内が大気圧となるため、移動相の体積流量が分析カラムの入口側と出口側では異なることになる。このため、プランジャポンプから吐出される移動相の流量が設定された流量となるようにプランジャの駆動速度を制御しても、分析カラムの出口側を流れる移動相の体積流量は設定された流量よりも大きなものとなる。

したがって、分析カラムの出口側における移動相の体積流量を設定された流量に正確に制御するためには、移動相の圧縮性を考慮して送液装置のプランジャの駆動速度を決定する必要がある。移動相の圧縮性を考慮してプランジャの駆動速度を決定するために、ユーザによって入力された圧縮率、又はユーザが入力した移動相の種類に基づいて装置側で選択された圧縮率を用いてプランジャの駆動速度を計算するように構成することが考えられる。

しかし、移動相の種類情報の入力をユーザに求めることは煩雑であり、入力ミスを誘発する虞がある。また、多岐にわたる移動相の種類や組成に対して正確な圧縮率の値を事前に用意することは非現実的である。さらに、移動相は短時間で断熱的に圧縮すると発熱膨張し、実効的な圧縮率が低下する。これは、
断熱圧縮率＜等温圧縮率
の関係として知られる。すなわち、圧縮率には予圧行程に要する時間に対する依存性がある。このことも、正確な圧縮率を事前に用意することに対する障害となる。

そこで、本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、移動相の種類や圧縮率に関する事前情報がなくても、大気圧下での移動相の体積流量が所定の流量となるようにプランジャの駆動速度をより正確に制御して、移動相の圧縮性に起因する送液流量のずれを改善することを目的とするものである。

本発明に係る送液装置は、吐出流路と、ポンプ部と、送液圧力センサと、予圧行程実行部と、吐出速度算出部と、吐出動作制御部と、を備えている。

前記ポンプ部は、互いに直列又は並列に接続された複数のプランジャポンプを有し、前記吐出流路へ移動相を吐出するものである。当該ポンプ部の前記複数のプランジャポンプのうち少なくとも１つの前記プランジャポンプは、前記吐出流路へ移動相を吐出する吐出行程を実行していない非吐出時間中に前記吐出流路との間の連通が遮断される閉鎖ポンプである。

前記送液圧力センサは、前記吐出流路内の圧力を送液圧力として検出するものである。

前記予圧行程実行部は、少なくとも前記送液圧力センサの出力に基づき、前記ポンプ室内へ液を吸引する吸引行程が完了した後でかつ前記非吐出時間中の前記閉鎖ポンプに、前記閉鎖ポンプのポンプ室内の圧力が前記送液圧力と略同一になるように吐出動作させる予圧行程を実行させるように構成されている。

前記吐出速度算出部は、前記予圧行程が開始される直前の前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積Ｖ、前記予圧行程によって減少した前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積ΔＶ、及び前記送液圧力Ｐを用いて、前記ポンプ部から前記吐出流路へ吐出される移動相の流量Ｌ_ＰＲＥの大気圧下についての換算値Ｌ_ＡＴＭが設定された流量Ｌ_ＳＥＴになるような前記プランジャポンプの吐出速度ｖを求めるように構成されている。

前記吐出動作制御部は、前記吐出速度算出部により求められた吐出速度ｖで吐出行程中の前記プランジャポンプを動作させるように構成されている。

上記の予圧行程が正確に実行されるように、前記非吐出時間中における前記閉鎖ポンプのポンプ室内の圧力を非吐出時圧力として検出する非吐出時圧力センサをさらに備えていることが好ましい。この場合、前記予圧行程実行部は、前記予圧行程において、前記送液圧力センサの出力と前記非吐出時圧力センサの出力に基づいて、前記非吐出時圧力が前記送液圧力と略同一になるように前記閉鎖ポンプを吐出動作させるように構成されている。

ただし、予圧行程は上記非吐出時圧力センサが設けられていなくても実行することができる。特許文献２には、送液圧力に基づく定圧フィードバック制御を行なうことによって予圧を正確に行なう技術が開示されている。この技術では、前記閉鎖ポンプを所定量だけ吐出動作させることによって予圧行程を実施し、その直後に前記閉鎖ポンプの吐出行程を実施する。前記閉鎖ポンプでの予圧が不十分であれば前記閉鎖ポンプの吐出行程の際に負の脈動が出るので、その場合は前記閉鎖ポンプに正のプランジャ変位を加える。逆に前記閉鎖ポンプでの予圧が過剰であれば正の脈動が出るため、その場合は前記閉鎖ポンプに負のプランジャ変位を加える。そして、そのようなプランジャ変位パターンを記憶し、次サイクルの予圧行程に反映させる。これにより、非吐出時圧力センサを備えていなくても、サイクルを繰り返すうちに非吐出時圧力が送液圧力と略同一になるように予圧行程を実施することができる。

本発明に係る送液装置の好ましい実施形態では、前記吐出速度算出部が、前記予圧行程が開始される直前の前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積Ｖ（以下、「予圧前内部体積Ｖ」と称する。）、前記予圧行程によって減少した前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積ΔＶ（以下、「予圧体積ΔＶ」と称する。）、及び前記送液圧力Ｐを用いて前記移動相の圧縮率βを求め、その圧縮率βと前記送液圧力Ｐとに基づいて、前記プランジャポンプの吐出速度ｖを求めるように構成されている。

上記の場合、前記吐出速度算出部は、前記閉鎖ポンプの前記予圧行程が実行される周期よりも短い周期で前記送液圧力Ｐを読み取り、その都度、読み取った最新の送液圧力Ｐと前記移動相の最新の圧縮率βとを用いて前記プランジャポンプの吐出速度ｖを求めるように構成されていることが好ましい。そうすれば、送液圧力Ｐが予圧行程の実行される周期の間に時間変化するような場合にも送液圧力Ｐに応じた前記プランジャポンプの適切な吐出速度をリアルタイムで求めることができる。

ところで、予圧前内部体積Ｖとしてプランジャポンプの機械設計に基づく値を用いることができる。しかし、実際のポンプ室の内部体積Ｖは、プランジャポンプを構成する各部品の加工誤差などによって設計値からずれる場合がある。

そこで、本発明に係る送液装置の好ましい実施形態では、圧縮率が既知の移動相を前記圧縮ポンプの前記ポンプ室内に吸引して前記予圧行程を実行し、そのときの前記圧縮ポンプの吐出動作量、前記送液圧力及び当該移動相の既知の圧縮率を用いて前記ポンプ室の内部体積に関する情報を求めるように構成された内部体積算出部と、前記内部体積算出部により求められた前記ポンプ室の内部体積に関する情報を記憶する内部体積記憶部と、をさらに備え、前記吐出速度算出部は、前記内部体積記憶部に記憶された内部体積に関する情報を前記予圧行程が開始される直前の前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積Ｖとして用い、前記吐出速度ｖを求めるように構成されている。これにより、ポンプ室の実際の内部体積を正確に把握することができ、それを用いて吐出行程時のプランジャポンプの吐出速度を正確に求めることができる。

本発明に係る流体クロマトグラフは、分析流路と、前記分析流路中において移動相を送液するための本発明の送液装置と、前記分析流路中に試料を注入するように構成された試料注入部と、前記分析流路上における前記試料注入部よりも下流に設けられ、前記試料注入部により注入された試料を分離するための分析カラムと、前記分析流路上における前記分析カラムよりも下流に設けられ、前記分析カラムで分離した試料成分を検出するための検出器と、を備えたものである。

本発明に係る送液装置では、前記予圧行程が開始される直前の前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積Ｖ、前記予圧行程によって減少した前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積ΔＶ、及び前記送液圧力Ｐを用いて、前記ポンプ部から前記吐出流路へ吐出される移動相の流量Ｌ_ＰＲＥの大気圧下についての換算値Ｌ_ＡＴＭが設定された流量Ｌ_ＳＥＴになるような前記プランジャポンプの吐出速度ｖを求めるように構成された吐出速度算出部と、前記吐出速度算出部により求められた吐出速度ｖで吐出行程中の前記プランジャポンプを動作させるように構成された吐出動作制御部と、を備えているので、移動相の種類や圧縮率に関する情報を用いることなく、大気圧下での移動相の体積流量が設定された流量Ｌ_ＳＥＴとなるようにプランジャの駆動速度を正確に制御することができる。これにより、移動相の圧縮性に起因する送液流量のずれが小さくなる。

本発明に係る流体クロマトグラフは、上記の送液装置を備えているので、分析カラムの出口側での流量が設定された流量に制御され、移動相の圧縮性に起因する送液流量のずれが小さくなる。

送液装置の一実施例を示す概略構成図である。 同実施例の動作の一例を概略的に示すフローチャートである。 同実施例の動作の他の例を概略的に示すフローチャートである。 同液装置の他の実施例を示す概略構成図である。 液体クロマトグラフの一実施例を示す概略構成図である。

まず、流体クロマトグラフの１つである液体クロマトグラフの一実施例について、図５を用いて説明する。

液体クロマトグラフ１００は、送液装置１、分析流路１０２、試料注入部１０４、分析カラム１０６及び検出器１０８を備えている。送液装置１は分析流路１０２中において移動相を送液するためのものである。試料注入部１０４は分析流路１０２中に試料を注入するものであり、例えばオートサンプラによって実現される。分析カラム１０６は分析流路１０２上における試料注入部１０４よりも下流に設けられ、試料注入部１０４により分析流路１０２中に注入された試料を分離するためのものである。検出器１０８は分析流路１０２上における分析カラム１０６よりも下流に設けられ、分析カラム１０６で分離した試料成分を検出するためのものである。

分析流路１０２のうち分析カラム１０６よりも上流側部分は高圧（大気圧よりも高い圧力）となる一方で、分析カラム１０６よりも下流側部分は大気圧となる。すなわち、送液装置１によって送液される移動相は、分析流路１０２の分析カラム１０６よりも上流側部分においては圧縮された状態で流れるのに対し、分析カラム１０６よりも下流側部分においては圧縮されていない状態で流れる。したがって、分析カラム１０６の上流側と下流側で移動相の体積流量が異なっている。

送液装置１は、分析流路１０２の分析カラム１０６よりも下流側部分における移動相の体積流量、すなわち大気圧下での移動相の体積流量が、予め設定された流量となるように動作するものである。

送液装置の一実施例について図１を用いて説明する。

送液装置１は、２つのプランジャポンプ、すなわち一次側ポンプ２と二次側ポンプ２２を備えている。一次側ポンプ２と二次側ポンプ２２は互いに直列に接続されている。一次側ポンプ２と二次側ポンプ２２は吐出流路３８を通じて液を送液するポンプ部を構成している。

一次側ポンプ２は、内部にポンプ室４を有するポンプヘッド３と、ポンプボディ６を備えている。ポンプヘッド３はポンプボディ６の先端に設けられている。ポンプヘッド３には、ポンプ室４に液を流入させる入口部とポンプ室４から液を流出させる出口部が設けられている。ポンプヘッド３の入口部に、液の逆流を防止する逆止弁１６が設けられている。

ポンプ室４にはプランジャ１０の先端が摺動可能に挿入されている。プランジャ１０の基端はポンプボディ６内に収容されたクロスヘッド８によって保持されている。クロスヘッド８は送りネジ１４の回転によりポンプボディ６内で一方向（図において左右方向）に移動し、それに伴ってプランジャ１０が一方向に移動する。ポンプボディ６の基端部に送りネジ１４を回転させる一次側ポンプ駆動用モータ１２が設けられている。一次側ポンプ駆動用モータ１２はステッピングモータである。

二次側ポンプ２２は、内部にポンプ室２４を有するポンプヘッド２３と、ポンプボディ２８を備えている。ポンプヘッド２３はポンプボディ２８の先端に設けられている。ポンプヘッド２３には、ポンプ室２４に液を流入させる入口部とポンプ室２４から液を流出させる出口部が設けられている。ポンプヘッド２３の入口部に、液の逆流を防止する逆止弁２６が設けられている。

ポンプ室２４にはプランジャ３２の先端が摺動可能に挿入されている。プランジャ３２の基端はポンプボディ２８内に収容されたクロスヘッド３０によって保持されている。クロスヘッド３０は送りネジ３６の回転によりポンプボディ２８内で一方向（図において左右方向）に移動し、それに伴ってプランジャ３２が一方向に移動する。ポンプボディ２８の基端部に送りネジ３６を回転させる二次側ポンプ駆動用モータ３４が設けられている。二次側ポンプ駆動用モータ３４はステッピングモータである。

ポンプヘッド３の入口部は、送液対象の液を貯留する容器（図示は省略）に、流路を介して接続されている。ポンプヘッド２３の入口部は、連結流路１８を介して、ポンプヘッド３の出口部と接続されている。連結流路１８上にポンプ室４内の圧力（Ｐ１）を検出する一次側圧力センサ２０が設けられている。一次側圧力センサ２０は、一次側ポンプ２が吐出行程にない非吐出時間中における一次側ポンプ２のポンプ室４内の圧力を非吐出時圧力として検出するためのものである。

ポンプヘッド２３の出口部には吐出流路３８が接続されている。吐出流路３８は、例えば液体クロマトグラフの分析流路に通じている。吐出流路３８上にポンプ室２４内の圧力（Ｐ２）を送液圧力として検出する二次側圧力センサ４０が設けられている。

一次側ポンプ駆動用モータ１２及び二次側ポンプ駆動用モータ３４の動作は、制御部４２により制御される。制御部４２は、吐出流路３８を通じて送液される液の流量が予め設定された目標流量となるように、一次側ポンプ２と二次側ポンプ２２を相補的に動作させるように構成されている。

一次側ポンプ２と二次側ポンプ２２の相補的な動作について説明すると、一次側ポンプ２が液を吐出する吐出行程を実行している間に、二次側ポンプ２２は液を吸引する吸引行程を実行し、一次側ポンプ２から吐出された液の一部が二次側ポンプ２２のポンプ室２４内に吸引される。二次側ポンプ２２の吸引行程が完了すると、二次側ポンプ２は吐出行程へ移行する。このとき、一次側ポンプ２は吸引行程へ移行し、吸引行程が完了した後、予圧行程が実行される。

二次側ポンプ２２の吐出行程中、すなわち一次側ポンプ２が吐出行程でない非吐出時間中は、逆止弁２６が閉じた状態となる。これにより、一次側ポンプ２のポンプ室４と吐出流路３８との間の連通が遮断される。このように、非吐出時間中に吐出流路３８との間の連通が遮断されるポンプを、本願では閉鎖ポンプと称する。この実施例の送液装置は、直列型ダブルプランジャ方式であるため、一次側ポンプ２のみが閉鎖ポンプに該当するが、並列型ダブルプランジャ方式の場合は双方のプランジャポンプが閉鎖ポンプに該当する。

また、一次側圧力センサ２０により検出される非吐出時圧力Ｐ１及び二次側圧力センサ４０により検出される送液圧力Ｐ２は制御部４２に取り込まれる。制御部４２は、後述する予圧行程中における非吐出時圧力Ｐ１と送液圧力Ｐ２に基づいて一次側ポンプ駆動用モータ１２の動作を制御するように構成されている。

制御部４２は、予圧行程実行部４４、吐出速度算出部４６及び吐出動作制御部４８を備えている。制御部４２は、例えば、マイクロコンピュータなどの演算素子を有するコンピュータ回路とそのコンピュータ回路において実行されるプログラムを具備するものであり、予圧行程実行部４４、吐出速度算出部４６及び吐出動作制御部４８は、制御部４２の演算素子が所定のプログラムを実行することによって得られる機能である。

予圧行程実行部４４は、一次側ポンプ２が吐出行程にない非吐出時間中であってポンプ室４に液を吸引する吸引行程が完了した後で、一次側ポンプ２に予圧行程を実行するように構成されている。予圧行程とは、吸引行程を完了した一次側ポンプ２が吐出行程へ移行する前のタイミングで、非吐出時圧力Ｐ１が送液圧力Ｐ２と略同一の圧力になるまで一次側ポンプ２を吐出動作させる行程である。一次側ポンプ２が予圧行程を開始するタイミングは、例えば一次側ポンプ２の吸引行程が完了した直後である。

なお、この実施例では、一次側圧力センサ２０により検出される非吐出時圧力Ｐ１を用いて予圧行程を行なっているが、本発明はこれに限定されるものではなく、一次側圧力センサ２０を備えていない送液装置に対しても適用することができる。一次側圧力センサ２０が設けられていない場合、予圧行程実行部４４は、まず、一次側ポンプ２を所定量だけ吐出動作させることによって予圧行程を実施する。その直後の一次側ポンプ２の吐出行程では、一次側ポンプ２の動作が二次側圧力センサ４０により検出される送液圧力Ｐ２が一定になるように定圧フィードバック制御される。このとき、直前の一次側ポンプ２の予圧が不十分であれば送液圧力Ｐ２に負の脈動が生じるため、一次側ポンプ２の吐出動作の速度を上げる。逆に、直前の一次側ポンプ２の予圧が過剰であれば送液圧力Ｐ２に正の脈動が生じるため、一次側ポンプ２の吐出動作の速度を下げる。そして、そのような一次側ポンプ２の動作速度の補正パターンを記憶し、次サイクルの予圧行程に反映させていくことで、サイクルを繰り返すうちに予圧行程において一次側ポンプ２のポンプ室４内の圧力を送液圧力Ｐ２と略同一にすることができる。

吐出速度算出部４６は、一次側ポンプ２の予圧行程が開始される直前のポンプ室４内の移動相の体積Ｖ（予圧前内部体積Ｖ）、その予圧行程により減少したポンプ室４内の移動相の体積ΔＶ（予圧体積ΔＶ）、及び送液圧力Ｐ２を用いて、一次側ポンプ２、二次側ポンプ２２の吐出行程時の吐出動作の速度ｖ（吐出速度ｖ）の最適値を算出するように構成されている。吐出速度ｖの最適値とは、吐出流路３８を通じて吐出される移動相の流量Ｌ_ＰＲＥの大気圧下についての換算値Ｌ_ＡＴＭが、予め設定された流量Ｌ_ＳＥＴとなるような吐出速度である。

ここで、吐出速度算出部４６による吐出速度の算出動作について説明する。

一般に、流体に圧力が加えられると圧縮率βとその流体に加わる圧力Ｐの積に等しい割合の体積が減少し、圧力Ｐ下における流体の体積Ｖ_ＰＲＥは次式（１）によって表される。なお、Ｖ_ＡＴＭは大気圧下での流体の体積である。
Ｖ_ＰＲＥ＝（１−β×Ｐ）×Ｖ_ＡＴＭ （１）

上記を高圧で流体を送得するＨＰＬＣ用の送液装置に適用すると、次式（２）が成立する。なお、Ｌ_ＰＲＥは吐出圧力Ｐ_ＰＵＭＰでプランジャポンプのポンプ室から吐出される移動相の体積流量（吐出流量ともいう。）であり、Ｌ_ＡＴＭは大気圧下での移動相の体積流量である。
Ｌ_ＰＲＥ＝（１−β×Ｐ_ＰＵＭＰ）×Ｌ_ＡＴＭ （２）

ここで、
Ｌ_ＰＲＥ＝プランジャ断面積×プランジャ速度 （３）
の関係を有する。ＨＰＬＣの送液装置はプランジャの速度を制御することで吐出流量Ｌ_ＰＲＥを調整している。上記式（２）を変形すると次式（４）が得られる。
Ｌ_ＡＴＭ＝Ｌ_ＰＲＥ／（１−β×Ｐ_ＰＵＭＰ）≧Ｌ_ＰＲＥ （４）

上記式（４）は、送液装置が制御することができる吐出流量Ｌ_ＰＲＥに対して減圧膨張の分だけ大気圧流量Ｌ_ＡＴＭが増大することを示している。ＨＰＬＣのユーザは分析条件として所望の流量を設定するが、純粋に送液装置から吐出される吐出流量Ｌ_ＰＲＥにその値を適用してしまうと、大気圧流量Ｌ_ＡＴＭは設定流量Ｌ_ＳＥＴよりも増大した値として観測される。送液装置の性能を確認するために、ベンダー又はユーザは設定流量Ｌ_ＳＥＴと大気圧流量Ｌ_ＡＴＭとの乖離を測定するバリデーションを実施することがある。しかし上記式（４）の関係のために両者の間に乖離を生じ、それが送液装置自体の不具合に由来するとは言えないにもかかわらず、バリデーションの結果を判定することの障害となる。

そこで、流体の圧縮率βを用いて、
Ｌ_ＰＲＥ＝（１−β×Ｐ_ＰＵＭＰ）×Ｌ_ＳＥＴ （５）
の関係式を用いて吐出流量Ｌ_ＰＲＥを調整するという方法もある。しかし、このような方法では、流体の圧縮率βと吐出圧力Ｐ_ＰＵＭＰの正確な値を必要とする。吐出圧力Ｐ_ＰＵＭＰについては圧力センサによって容易に計測することができる。一方で、圧縮率βについては、ユーザがＨＰＬＣシステムに圧縮率βの値を入力するか、あるいはユーザが入力した流体（移動相）の種類に基づいてＨＰＬＣシステムが適切な圧縮率βを適用する必要がある。このような情報入力をユーザに求めることは煩雑であり、入力ミスを誘発する虞もある。また、全ての移動相の種類や組成に対して正確な圧縮率βの値を用意することは非現実的である。さらに、移動相は短時間で断熱的に圧縮すると発熱膨張し、実効的な圧縮率が低下する。これは、
断熱圧縮率＜等温圧縮率 （６）
の関係として知られる。すなわち、圧縮率には予圧時間に対する依存性があり、このことも正確な圧縮率を事前に用意することに対して障害となる。

この実施例では、圧縮ポンプ（一次側ポンプ２）における予圧行程を利用して、移動相の圧縮性に関する情報を取得し、その情報を用いて各ポンプ２、２２の吐出速度を決定する。予圧行程における移動相の体積変化は、上記式（１）や（２）と同様に、次式（７）によって表すことができる。なお、Ｖは予圧行程が開始される直前のポンプ室４内の移動相の体積（ポンプ室４の内部体積）、Ｖ_ＰＲＥは予圧行程が終了した直後のポンプ室４内の移動相の体積（ポンプ室４の内部体積）である。Ｐ１はポンプ室４内の圧力である。
Ｖ_ＰＲＥ＝（１−β×Ｐ１）×Ｖ （７）

なお、ポンプ室４の内部体積とは、この実施例のように直列型ダブルプランジャポンプの場合は、一次側ポンプ２の入口側の逆止弁１６と二次側ポンプ２２の入口側の逆止弁２０の間の系内の体積を意味する。また、並列側ダブルプランジャポンプの場合には、一方のポンプの入口側の逆止弁と出口側の逆止弁との間の系内の体積を意味する。

上記式（７）から、予圧行程前後のポンプ室４内の移動相の体積の変化量ΔＶ（以下、予圧体積ΔＶと称する。）を表わす次式（８）が得られる。
ΔＶ＝Ｖ−Ｖ_ＰＲＥ
＝β×Ｐ１×Ｖ （８）

予圧行程では、ポンプ室４内の圧力Ｐ１が吐出圧力Ｐ２（＝Ｐ_ＰＵＭＰ）と略同一になるように圧縮ポンプ２が吐出方向へ駆動されるから、上記式（８）は、
ΔＶ＝β×Ｐ２×Ｖ （９）
となる。この式（９）を変形することにより、次式（１０）が得られる。
β×Ｐ２＝ΔＶ／Ｖ （１０）
式（５）に上記式（１０）を代入することにより、次式（１１）が得られる。
Ｌ_ＰＲＥ＝（１−ΔＶ／Ｖ）×Ｌ_ＳＥＴ （１１）

上記式（１１）のＬ_ＳＥＴに流量の設定値を適用することで、大気圧下での移動相の流量Ｌ_ＡＴＭが設定流量Ｌ_ＳＥＴとなるような吐出流量Ｌ_ＰＲＥが得られる。すなわち、吐出流路Ｌ_ＰＲＥの大気圧下についての換算値Ｌ_ＡＴＭが設定流量Ｌ_ＳＥＴとなる。

この実施例では、制御部４２の吐出速度算出部４６が上記式（１１）を用いて吐出流量Ｌ_ＰＲＥを算出し、吐出流路３８を通じて吐出される移動相の流量がその吐出流量Ｌ_ＰＲＥとなるような各ポンプ２、２２のプランジャ１０、３２の駆動速度（吐出速度）ｖを決定する。吐出動作制御部４８は吐出速度算出部４６が決定した駆動速度ｖでプランジャ１０、３２を駆動する。

図２は送液装置１の送液動作の一例を示すフローチャートである。

図２に示されているように、一次側ポンプ２と二次側ポンプ２２は相補的に動作し、一次側ポンプ２が吐出行程を実行しているときに二次側ポンプ２２が吸引行程を実行し（ステップＳ１０１、Ｓ２０１）、二次側ポンプ２２が吐出行程を実行しているときに一次側ポンプ２が吸引行程と予圧行程を実行する（ステップＳ１０２、Ｓ１０３、Ｓ２０２）。

制御部４２の吐出速度算出部４６は、一次側ポンプ２の予圧行程が終了した後、その予圧行程中におけるプランジャ１０の駆動量に基づいて予圧体積ΔＶを求め（ステップＳ３０１）、その予圧体積ΔＶを上述の式（１１）に適用することにより吐出流量Ｌ_ＰＲＥを算出する（ステップ３０２）。そして、吐出速度算出部４６は、吐出流路３８を通じて吐出される移動相の流量が算出した吐出流量Ｌ_ＰＲＥとなるような各ポンプ２、２２のプランジャ１０、３２の駆動速度（吐出速度）ｖを決定する。

吐出動作制御部４８は、一次側ポンプ２と二次側ポンプ２２の次回の吐出行程（ステップＳ１０１とＳ２０２）において、吐出速度算出部４６により決定された吐出速度ｖで各ポンプ２、２２のプランジャ１０、３２を吐出駆動する。

ところで、ＨＰＬＣやＳＦＣによる分析では、移動相組成の変化などによって分析中に送液圧力Ｐ２が変わる場合がある。上記の動作によって決定された吐出速度ｖは、少なくとも次の一次側ポンプ２の予圧行程（ステップＳ１０３）が実行されるまでは再計算されることがなく固定される。そのため、予圧行程と次の予圧行程の間に送液圧力Ｐ２が大きく変動すると、移動相の大気圧下での体積流量Ｌ_ＡＴＭが設定流量Ｌ_ＳＥＴから乖離してしまう虞がある。このような事態は、高圧グラジエントポンプで一方のポンプの流量比が小さい場合や、いわゆるミクロ・ナノＬＣのように設定流量が非常に小さい場合に、分析時間に対してポンプ周期が長くなることに起因して発生しやすい。

そこで、吐出速度算出部４６を、吐出圧力Ｐ２の変化に追従して各ポンプ２、２２の吐出速度ｖを再計算するように構成してもよい。そのように構成された吐出速度算出部４６の好適な一形態について、図３のフローチャートを用いて説明する。

移動相の圧縮率βは、上述の式（９）を変形した次式（１２）によって求めることができる。
β＝ΔＶ／（Ｖ×Ｐ２） （１２）

吐出速度算出部４６は、一次側ポンプ２の予圧行程（Ｓ１０３）が終了した後で、予圧体積ΔＶを算出し（ステップＳ３０１）、その予圧体積ΔＶと予圧行程終了時の吐出圧力Ｐ２を用いて圧縮率βを求める（ステップＳ３０４）。ここで求められた圧縮率βは、制御部４２に設けられている記憶領域に記憶される。

制御部４２には送液圧力Ｐ２が一定時間ごとに取り込まれる（ステップＳ３０５）。吐出速度算出部４６は送液圧力Ｐ２が取り込まれる度に、記憶された圧縮率βと最新の送液圧力Ｐ２を上述の式（５）と同等の式である次式（１３）に適用して吐出流量Ｌ_ＰＲＥを求め、その吐出流量ＬＰＲＥに基づいて各ポンプ２、２２の吐出速度ｖを決定する（ステップＳ３０６）。
Ｌ_ＰＲＥ＝（１−β×Ｐ２）×Ｌ_ＳＥＴ （１３）

吐出動作制御部４８は、吐出速度算出部４６によってポンプ２、２２の吐出速度が再計算されるたびに吐出行程中にあるポンプ２又は２２の吐出速度を再計算された速度ｖに調節する。これにより、送液中に送液圧力Ｐ２が変化した場合にも、それに追従してポンプ２、２２の吐出速度を最適な値へ再計算することができる。圧縮率βは、一次側ポンプ予圧行程（Ｓ１０３）の周期ごとに更新される。

上記の実施例では、予圧行程を開始する前のポンプ室４の内部体積Ｖとして一次側ポンプ２の機械設計に基づく値を用いる。しかし、実際のポンプ室４の内部体積は、各部品の加工誤差などによって設計値からずれる場合がある。そこで、ポンプ室４の実際の内部体積Ｖを算出する機能を送液装置１にもたせるようにしてもよい。

具体的には、図４に示されているように、制御部４２の機能として、内部体積算出部５０と内部体積記憶部５２を具備させることができる。予圧行程を開始する前の内部体積Ｖは、上述の式（９）を変形した次式（１４）によって表すことができる。
Ｖ＝ΔＶ／（β×Ｐ２） （１４）

上記式（１４）のうち予圧体積ΔＶは予圧動作中のプランジャ１０の駆動距離によって求めることができ、送液圧力Ｐ２は圧力センサ４０から読み取ることができる。したがって、圧縮率βが既知の移動相を用いることで予圧行程を開始する前の内部体積Ｖを求めることができる。

内部体積算出部５０は、圧縮率βが既知の移動相（例えば、水）を送液する際の一次側ポンプ２の予圧行程において予圧体積ΔＶと送液圧力Ｐ２を取得し、それらを上記式（１４）に適用して内部体積Ｖを計算により求めるように構成されている。内部体積記憶部５２は、内部体積算出部５０により算出された内部体積Ｖの値を記憶する記憶領域である。

吐出速度算出部４６は、内部体積記憶部５２に記憶されている内部体積Ｖの値を用いて、各ポンプ２の吐出速度の算出を行なうように構成されている。これにより、正確な内部体積Ｖの値を用いて各ポンプ２の吐出速度を決定することができ、送液流量の正確性を向上させることができる。

以上において説明した実施例では、一次側ポンプ２の予圧行程の完了ごとに各ポンプ２、２２の吐出速度ｖの計算や圧縮率βの計算を行なうようになっている。これの変形として、ポンプの数サイクルの計算結果に対して移動平均などのフィルタリングを適用してもよい。また、移動相を変更した場合には、圧縮率βの計算や吐出速度ｖの計算を一度実行し、以降はその計算値を固定して適用してもよい。これらの変形により、計算誤差がポンプの脈動を発生させる懸念を軽減することができる。

また、以上の実施例では、送液装置１の下流へ連続的に移動相を吐出する状態に基づいて本発明の実施形態を説明したが、弁手段等を用いて吐出流路３８を封止した状態にして送液することにより圧縮率βを求めて記憶し、実際の分析時においてはその圧縮率βを用いて吐出速度ｖを決定するようにしてもよい。これらの変形も本発明の範囲に包含される。

１，１ａ，１ｂ 送液装置
２ 一次側ポンプ（閉鎖ポンプ）
３，２３ ポンプヘッド
４，２４ ポンプ室
６，２８ ポンプボディ
８，３０ クロスヘッド
１０，３２ プランジャ
１２，３４ モータ
１４，３６ 送りネジ
１６，２６ 逆止弁
２０，４０ 圧力センサ
２２ 二次側ポンプ
４２ 制御部
４４ 予圧行程実行部
４６ 吐出速度算出部
４８ 吐出動作制御部
５０ 内部体積算出部
５２ 内部体積保持部

Claims (6)

1. 吐出流路と、
   互いに直列又は並列に接続された複数のプランジャポンプを有し、前記吐出流路へ移動相を吐出するポンプ部であって、前記複数のプランジャポンプのうち少なくとも１つの前記プランジャポンプが、前記吐出流路へ移動相を吐出する吐出行程を実行していない非吐出時間中に前記吐出流路との間の連通が遮断される閉鎖ポンプである、ポンプ部と、
   前記吐出流路内の圧力を送液圧力として検出する送液圧力センサと、
   少なくとも前記送液圧力センサの出力に基づき、前記ポンプ室内へ液を吸引する吸引行程が完了した後でかつ前記非吐出時間中の前記閉鎖ポンプに、前記閉鎖ポンプのポンプ室内の圧力が前記送液圧力と略同一になるように吐出動作させる予圧行程を実行させるように構成された予圧行程実行部と、
   前記予圧行程が開始される直前の前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積Ｖ、前記予圧行程によって減少した前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積ΔＶを用いて、前記ポンプ部から前記吐出流路へ吐出される移動相の流量Ｌ_ＰＲＥの大気圧下についての換算値Ｌ_ＡＴＭが設定された流量Ｌ_ＳＥＴになるような前記プランジャポンプの吐出速度ｖを求めるように構成された吐出速度算出部と、
   前記吐出速度算出部により求められた吐出速度ｖで吐出行程中の前記プランジャポンプを動作させるように構成された吐出動作制御部と、を備えた送液装置。
2. 前記非吐出時間中における前記閉鎖ポンプのポンプ室内の圧力を非吐出時圧力として検出する非吐出時圧力センサをさらに備え、 前記予圧行程実行部は、前記予圧行程において、前記送液圧力センサの出力と前記非吐出時圧力センサの出力に基づいて、前記非吐出時圧力が前記送液圧力と略同一になるように前記閉鎖ポンプを吐出動作させるように構成されている、請求項１に記載の送液装置。
3. 前記吐出速度算出部は、前記予圧行程が開始される直前の前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積Ｖ、前記予圧行程によって減少した前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積ΔＶ、及び前記送液圧力Ｐを用いて前記移動相の圧縮率βを求め、その圧縮率βと前記送液圧力Ｐとに基づいて、前記プランジャポンプの吐出速度ｖを求めるように構成されている、請求項１又は２に記載の送液装置。
4. 前記吐出速度算出部は、前記閉鎖ポンプの前記予圧行程が実行される周期よりも短い周期で前記送液圧力Ｐを読み取り、その都度、読み取った送液圧力Ｐと前記移動相の最新の圧縮率βとを用いて前記プランジャポンプの吐出速度ｖを求めるように構成されている、請求項３に記載の送液装置。
5. 圧縮率が既知の移動相を前記圧縮ポンプの前記ポンプ室内に吸引して前記予圧行程を実行し、そのときの前記圧縮ポンプの吐出動作量、前記送液圧力及び当該移動相の圧縮率を用いて前記ポンプ室の内部体積に関する情報を求めるように構成された内部体積算出部と、
   前記内部体積算出部により求められた前記ポンプ室の内部体積に関する情報を記憶する内部体積記憶部と、をさらに備え、
   前記吐出速度算出部は、前記内部体積記憶部に記憶された内部体積に関する情報を前記予圧行程が開始される直前の前記閉鎖ポンプの前記ポンプ室内の移動相の体積Ｖとして用いるように構成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の送液装置。
6. 分析流路と、
   前記分析流路中において移動相を送液するための請求項１から５のいずれか一項に記載の送液装置と、
   前記分析流路中に試料を注入するように構成された試料注入部と、
   前記分析流路上における前記試料注入部よりも下流に設けられ、前記試料注入部により注入された試料を分離するための分析カラムと、
   前記分析流路上における前記分析カラムよりも下流に設けられ、前記分析カラムで分離した試料成分を検出するための検出器と、を備えた流体クロマトグラフ。

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