WO2021149325A1

WO2021149325A1 - 送液ポンプ及び送液方法

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Publication number: WO2021149325A1
Application number: PCT/JP2020/041326
Authority: WO
Inventors: 修大塚田; 大介秋枝; 橋本　雄一郎; 翔岩佐; 祐介用田
Original assignee: 株式会社日立ハイテク
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-11-05
Publication date: 2021-07-29
Also published as: US20230332586A1; CN114930029A; EP4071359A1; JP2021113539A; JP7360333B2; EP4071359A4

Abstract

送液ポンプの容積を小さくし、かつ脈動の小さい送液を可能とする技術を提供する。本開示の送液ポンプは、第１プランジャを有する第１プランジャポンプと、第２プランジャを有し、前記第１プランジャポンプと直列に接続された第２プランジャポンプと、前記第２プランジャポンプの下流に配置された圧力センサと、前記圧力センサが測定した液体の吐出圧力の入力を受け付け、前記第１プランジャの駆動及び前記第２プランジャの駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１プランジャポンプにより前記液体を圧縮する際に、前記第１プランジャを第１速度で駆動したのち、前記圧縮が完了する前に、前記第１速度より遅い第２速度まで減速し、前記第１プランジャの駆動と並行して、前記第２プランジャを駆動して前記第２プランジャポンプから前記液体を吐出する。

Description

送液ポンプ及び送液方法

　本開示は、送液ポンプ及び送液方法に関する。

　液体クロマトグラフを用いた分析では、測定対象である試料の種類に応じて使用する溶媒が異なり、それぞれの分析の前に送液ポンプ内の溶媒を置換する必要がある。したがって、様々な種類の試料を対象として一定時間内で数多くの分析を実行するためには、溶媒の置換を短時間で行う必要がある。溶媒の置換を短時間で行うためには、ポンプ容積の低減が有効である。

　一般的に、液体クロマトグラフに用いられる送液ポンプは２台のプランジャポンプを直列に接続した構成を有する。上流側のプランジャポンプ（第１プランジャポンプ）が溶媒を吸引、圧縮、吐出する。第１プランジャポンプのみでは一定流量を送液することができないため、下流側にもう一台のプランジャポンプ（第２プランジャポンプ）が接続される。第２プランジャポンプは、第１プランジャポンプの脈流を打ち消す動作をする（第１プランジャポンプが溶媒を吸引、圧縮するときに、溶媒を吐出する）ことで、送液ポンプとしては一定の流量を送液することができる。

　第１プランジャポンプの動作における溶媒の圧縮は、吸引した溶媒の圧力を大気圧から、第２プランジャポンプが吐出している圧力（吐出圧力）まで上げる工程である。ここで、溶媒の圧力が吐出圧力とほぼ同じになったら圧縮の動作を終了する必要がある。吐出圧力を越えて圧縮動作を続ける（過圧縮）と、その区間は第１プランジャポンプと第２プランジャポンプがともに吐出することとなり、送液ポンプとしては流量が大きくなり、その分、吐出圧力が上昇する。流量が変動すると液体クロマトグラフとしての分析精度が悪化するだけでなく、それに伴う圧力の脈動によって、分離カラムに負荷がかかり消耗を早めることとなる。

　過圧縮を防ぐ技術として、特許文献１には、第１プランジャポンプ内の溶媒の圧力を測定する圧力センサと、第２プランジャポンプが吐出する溶媒の圧力を測定する圧力センサを設け、圧縮工程において、それぞれの圧力センサが測定する値を比較することで、第１プランジャポンプの動作を制御する送液ポンプが開示されている。

　特許文献２には、第１のプランジャポンプと第２のプランジャポンプが直列に接続され、第２のプランジャポンプの下流にのみ圧力センサが設けられた構成を有する送液ポンプが開示されている。

特許第５６２４８２５号公報特開２００８－２９１８４８号公報

　しかしながら、特許文献１の送液ポンプにおいては、第１プランジャポンプと第２プランジャポンプのそれぞれに圧力センサが設けられているため、ポンプ容積が大きくなる。ポンプ容積を減らして溶媒の置換を短時間で行うためには、第１プランジャポンプ側に圧力センサを設けず、その分の容積を削減した方がよい。ただし、この場合、第２プランジャポンプ用の圧力センサのみを用いて第１プランジャポンプの動作を制御し、流量及び圧力の脈動の小さい送液を実現するという課題がある。

　特許文献２の送液ポンプにおいては、上述のように、第２プランジャポンプ側にのみ圧力センサのみが設けられており、ポンプ容積の増大は抑制されているといえる。しかしながら、特許文献２には、流量及び圧力の脈動の小さい送液を実現することについては何ら記載がない。

　そこで、本開示は、送液ポンプの容積を小さくし、かつ脈動の小さい送液を可能とする技術を提供する。

　上記課題を解決するために、本開示の送液ポンプは、第１プランジャを有する第１プランジャポンプと、第２プランジャを有し、前記第１プランジャポンプと直列に接続された第２プランジャポンプと、前記第２プランジャポンプの下流に配置された圧力センサと、前記圧力センサが測定した液体の吐出圧力の入力を受け付け、前記第１プランジャの駆動及び前記第２プランジャの駆動を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記第１プランジャポンプにより前記液体を圧縮する際に、前記第１プランジャを第１速度で駆動したのち、前記圧縮が完了する前に、前記第１速度より遅い第２速度まで減速し、前記第１プランジャの駆動と並行して、前記第２プランジャを駆動して前記第２プランジャポンプから前記液体を吐出することを特徴とする。

　本開示に関連する更なる特徴は、本明細書の記述、添付図面から明らかになるものである。また、本開示の態様は、要素及び多様な要素の組み合わせ及び以降の詳細な記述と添付される特許請求の範囲の様態により達成され実現される。
　本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味に於いても限定するものではない。

　本開示の送液ポンプによれば、容積が小さく、脈動の小さい送液が可能である。
　上記以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。

第１の実施形態に係る送液ポンプを備える液体クロマトグラフの構成を示す模式図である。溶媒を通常送液する際の各プランジャの変位、溶媒の吐出流量及び吐出圧力を示すグラフである。第１プランジャの速度及び第２プランジャの速度の制御方法を説明するためのグラフである。変形例２に係る第１プランジャの速度の制御方法を説明するためのグラフである。変形例３に係る第１プランジャの速度の制御方法を説明するためのグラフである。送液ポンプによる送液開始時の各プランジャの変位、溶媒の吐出流量及び圧力を示すグラフである。圧縮完了時の第１プランジャの変位と圧力の関係を示すグラフである。

［第１の実施形態］
＜送液ポンプ及び液体クロマトグラフの構成例＞
　図１は、第１の実施形態に係る送液ポンプ１を備える液体クロマトグラフ１００の構成を示す模式図である。図１に示すように、液体クロマトグラフ１００は、送液ポンプ１、試料を液体クロマトグラフ１００に導入するためのインジェクタ２、分離カラム３、検出器４及び廃液容器５を備える。インジェクタ２、分離カラム３、検出器４及び廃液容器５については、液体クロマトグラフに一般に用いられるものを使用することができるので、本実施形態においてはそれらの詳細な構成について格別説明しない。

　送液ポンプ１は、コントローラ１０（制御部）、圧力センサ１１０、第１プランジャポンプ１０１、第２プランジャポンプ１０２、連結流路１０３、第１電磁弁８１、第２電磁弁８２、モータドライバ２１０、パージバルブドライバ３１０、パージバルブ３１１、廃液タンク３１２及び電磁弁ドライバ４１０を有する。第１プランジャポンプ１０１と第２プランジャポンプ１０２は直列に接続されており、第１プランジャポンプ１０１が上流側に配置され、第２プランジャポンプ１０２が下流側に配置されている。

　圧力センサ１１０は、第２プランジャポンプ１０２の下流に設置されている。圧力センサ１１０は、第２プランジャポンプ１０２から吐出される溶媒（液体）の圧力（吐出圧力）を測定し、圧力値をコントローラ１０へ出力する。

　詳細は後述するが、コントローラ１０は、圧力センサ１１０が測定した吐出圧力とあらかじめ定めた動作シーケンスに基づき、モータドライバ２１０及び電磁弁ドライバ４１０に指令値を与えてこれらを動作させる。また、コントローラ１０は、あらかじめ定めた動作シーケンスに基づき、パージバルブドライバ３１０に指令値を与えてこれを動作させる。

　第１プランジャポンプ１０１は、第１加圧室１１、第１プランジャ２１、第１吸引通路３１、第１吐出通路４１、第１逆止弁５１、第２逆止弁５２、第１シール６１及び軸受７１が形成された第１ポンプヘッド１１１を有する。第１逆止弁５１は第１吸引通路３１の流路上に配置されており、第２逆止弁５２は第１吐出通路４１の流路上に配置されており、これにより溶媒液の流通方向を制限している。第１プランジャ２１（加圧部材）は、軸受７１により第１プランジャポンプ１０１内を摺動可能に保持されている。第１シール６１は、第１加圧室１１からの液漏れを防止している。

　第２プランジャポンプ１０２は、第２加圧室１２、第２プランジャ２２、第２吸引通路３２、第２吐出通路４２、第２シール６２及び軸受７２が形成された第２ポンプヘッド１１２を有する。第２逆止弁５２と第２吸引通路３２は、連結流路１０３により連結されている。すなわち、第１プランジャポンプ１０１と第２プランジャポンプ１０２は直列に配置され、第１プランジャポンプ１０１が上流側に設置されている。第２プランジャ２２（加圧部材）は、軸受７２により第２プランジャポンプ１０２内を摺動可能に保持されている。第２シール６２は、第２加圧室１２からの液漏れを防止している。

　本明細書において「下限点」とは、プランジャが加圧室内を移動できる範囲において、最も下降した位置を示す。一方、「上限点」とは、プランジャが加圧室内を移動できる範囲において、最も上昇した位置を示す。また、プランジャの「上昇」とは、加圧室内の溶媒が圧縮もしくは吐出される方向の動き（図１における右向きの動き）を表し、プランジャの「下降」とは、加圧室内に溶媒が吸引される方向の動き（図１における左向きの動き）を表す。

　第１プランジャ２１の往復運動は、第１電動モータ２１１、減速装置２２１及び直動装置２３１により制御される。より具体的には、モータドライバ２１０は、コントローラ１０の指令値に基づいて第１電動モータ２１１に駆動電力を与えて回転させる。第１電動モータ２１１の回転は、減速装置２２１により減速され、直動装置２３１により直線運動に変換されて、第１プランジャ２１が往復運動する。

　同様に、第２プランジャ２２の往復運動は、第２電動モータ２１２、減速装置２２２及び直動装置２３２により制御される。より具体的には、モータドライバ２１０は、コントローラ１０の指令値に基づいて第２電動モータ２１２に駆動電力を与えて回転させる。第２電動モータ２１２の回転は、減速装置２２２により減速され、直動装置２３２により直線運動に変換されて、第２プランジャ２２が往復運動する。

　減速装置２２１及び直動装置２３１は、これらを組み合わせることによって第１電動モータ２１１の回転動力を増幅して直線運動力に変換することから、広義に動力伝達機構装置と呼ぶことができる。このことは減速装置２２２及び直動装置２３２についても同様である。

　減速装置２２１及び２２２の具体例としては、平歯車、プーリー、遊星歯車、ウォームギヤなどが挙げられる。減速装置２２１及び２２２を設ける主な理由は、第１及び第２電動モータ２１１及び２１２のトルクを増大させるためである。もし第１及び第２電動モータ２１１及び２１２が十分なトルクを発生する能力があるならば、必ずしも減速装置２２１及び２２２を設置する必要はない。直動装置２３１及び２３２の具体例としては、ボールねじ、カム、ラックピニオンなどが挙げられる。

　パージバルブドライバ３１０は、コントローラ１０の指令値に基づいてパージバルブ３１１に駆動電力を与える。パージバルブ３１１は、第２プランジャポンプ１０２の下流に接続されている。パージバルブ３１１は、送液ポンプ１から吐出される溶媒が流れる方向を、インジェクタ２側もしくは廃液タンク３１２側のどちらかに切り替える。

　電磁弁ドライバ４１０は、コントローラ１０の指令値に基づいて第１電磁弁８１及び第２電磁弁８２に駆動電力を与える。送液ポンプ１の外部には、第１溶媒５１１を収容する溶媒容器と、第２溶媒５１２を収容する溶媒容器が設置されており、第１電磁弁８１及び第２電磁弁８２の開閉、第１プランジャポンプ１０１及び第２プランジャポンプ１０２（第１プランジャ２１及び第２プランジャ２２）の駆動により、第１溶媒５１１又は第２溶媒５１２を送液ポンプ１へ送液することができる。

　第１プランジャポンプ１０１が溶媒を吸引するとき、第１電磁弁８１及び第２電磁弁８２のうちどちらか一方が開いた状態で他の一方は閉じた状態となり、第１溶媒５１１及び第２溶媒５１２のどちらか一方が吸引される。吸引された溶媒は合流部９０、第１逆止弁５１及び第１吸引通路３１を通過して第１加圧室１１に吸引される。第１加圧室１１内に吸引された溶媒は、第１プランジャ２１の上昇に伴って圧縮される。

　溶媒が圧縮されることで第１加圧室１１内部の圧力が第２加圧室１２内部の圧力よりも大きくなると、溶媒は第１吐出通路４１、第２逆止弁５２、連結流路１０３及び第２吸引通路３２を通過して第２加圧室１２に流入し、第２吐出通路４２から吐出される。

　送液ポンプ１から吐出された溶媒には、インジェクタ２によって、分析対象である試料が注入される。試料が注入された溶媒は分離カラム３に導入されて成分ごとに分離され、その後、検出器４により、試料成分に応じた吸光度、蛍光強度、屈折率などが検出される。分離カラム３には微小粒子が充填されており、溶媒が微小粒子の隙間を流れる際の流体抵抗によって、送液ポンプ１には数十メガパスカルから百メガパスカル超の負荷圧力が発生する。この負荷圧力の大きさは、分離カラム３の径と通過流量に応じて異なる。

　第１溶媒５１１を用いる分析から第２溶媒５１２を用いた分析に切り替える際には、第２溶媒５１２を用いる分析の前に、第１電磁弁８１を開いた状態から閉じた状態に切り替え、その後、第２電磁弁８２を閉じた状態から開いた状態に切り替える。これにより、送液ポンプ１の内部（第１逆止弁５１、第１吸引通路３１、第１加圧室１１、第１吐出通路４１、第２逆止弁５２、連結流路１０３、第２吸引通路３２、第２加圧室１２、第２吐出通路４２、圧力センサ１１０、パージバルブ３１１、及びそれらを連結する配管）と、インジェクタ２、分離カラム３、検出器４及びそれらを連結する配管の内部が、第１溶媒５１１から第２溶媒５１２に置換される。このとき、溶媒の置換にかかる時間を短くすることで、一定時間内に行える分析の数を多くすることができる。

＜送液方法＞
　本実施形態の送液ポンプ１を用いて溶媒を通常送液する際の送液方法の概略を説明する。ここで、「通常送液」とは、送液ポンプ１から吐出する溶媒をインジェクタ２、分離カラム３及び検出器４へ流し、試料を分析する場合の送液方法である。なお、試料を分析しない場合（溶媒を廃液タンク３１２に送液する場合）も同様の動作となるため、説明を省略する。

　図２は、送液ポンプ１により溶媒を通常送液する際の各プランジャの変位、溶媒の吐出流量及び吐出圧力を示すグラフである。図２に示される４つのグラフは、いずれも横軸は時間を示し、縦軸は、上から順に、第１プランジャ２１の変位、第２プランジャ２２の変位、溶媒の吐出流量、溶媒の吐出圧力を示す。ここで、吐出流量は送液ポンプ１から吐出される流量であり、吐出圧力は圧力センサ１１０によって検出される圧力である。第１プランジャ２１の変位及び第２プランジャ２２の変位は、上昇方向（図１の右方向）を正方向とし、下降方向（図１の左方向）を負方向とする。吐出流量は吐出を正とし、吸引を負とする。

　通常送液において、第１プランジャ２１及び第２プランジャ２２はともに下限点を基準として動作する。

　通常送液において、第１プランジャポンプ１０１及び第２プランジャポンプ１０２はともに周期的な動作をする。図２においては、４周期分が示されている。１つの送液周期の中で、第１プランジャ２１が下降して溶媒を吸引する区間ａ及び第１プランジャ２１が上昇して溶媒を圧縮する区間ｂでは、第１加圧室１１からは溶媒は吐出されないので、第２プランジャ２２が上昇して溶媒を吐出する。詳細は後述するが、区間ｂには、第１プランジャ２１が高速で上昇する区間ｂ１と低速で上昇する区間ｂ２がある。区間ｂの後、第２プランジャ２２が下降して溶媒を吸引する区間ｃでは、第１プランジャ２１が上昇して第２プランジャ２２の吸引分とポンプ下流に吐出する分の溶媒を吐出する。その後、区間ｄでは、第１プランジャ２１が上昇して溶媒を吐出し、第２プランジャ２２は停止する。このような動作によって、送液ポンプ１からの吐出流量をほぼ一定に保つことができ、吐出圧力もほぼ一定となる。ただし、区間ｂが完了するタイミングでは、第１プランジャ２１が圧縮動作を続けることで第１加圧室１１内の溶媒の圧力が吐出圧力を越えること（過圧縮）によって、吐出流量が瞬間的に大きくなり、それに伴い、吐出圧力も瞬間的に大きくなる。すなわち、吐出圧力に脈動が生じる。

＜第１プランジャの速度及び第２プランジャの速度の制御方法＞
　次に、第１プランジャ２１の過圧縮に起因する吐出圧力の脈動を小さくするために、第１プランジャ２１の速度及び第２プランジャ２２の速度を制御する方法の詳細について説明する。第１プランジャ２１の速度及び第２プランジャ２２の速度は、実際にはコントローラ１０がモータドライバ２１０に指令値を出力し、当該出力値に従って第１電動モータ２１１及び第２電動モータ２１２等が駆動することによって制御されるが、以下においては、簡略化のために、コントローラ１０が直接第１プランジャ２１及び第２プランジャ２２の動作を制御するものとして説明する場合がある。

　図３は、通常送液する際の第１プランジャ２１の速度及び第２プランジャ２２の速度の制御方法を説明するためのグラフである。図３においては、１周期分の動作のみを示している。図３に示される５つのグラフは、いずれも横軸は時間を示し、縦軸は、上から順番に、第１プランジャ２１の変位、第２プランジャ２２の変位、第１プランジャ２１の速度、第２プランジャ２２の速度、圧力を示す。第１プランジャ２１の速度及び第２プランジャ２２の速度は、プランジャが上昇するときを正とし、下降するときを負とする。圧力は、圧力センサ１１０によって測定される吐出圧力を実線で示し、第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１を破線で示している。ここで、第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１を測定する手段はないため、後述する（式１）により理論的に算出した圧力の推定値を示している。

　区間ａにおいて、コントローラ１０は、第１プランジャ２１を下限点（図２参照）まで負の速度で下降させ、第２プランジャ２２を一定の正の速度で下限点から上昇させる。コントローラ１０は、第１プランジャ２１の位置が下限点となった際に第１プランジャ２１を一旦停止（速度０）とする。区間ａにおける吐出圧力は一定である。第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１は大気圧未満まで減少したのち一定となり、区間ａの終了時に大気圧となる。

　区間ｂ１において、コントローラ１０は、第１プランジャ２１を高速（区間ｂ２と比較して高速）で上昇させる。このとき、まず速度を増加させつつ第１プランジャ２１を上昇させ、その後一定の速度（第１速度）とする。また、コントローラ１０は、第２プランジャ２２を区間ａと同じ一定の正の速度で上昇させ続ける。区間ｂ１における吐出圧力は一定である。第１プランジャ２１の上昇に伴って溶媒が圧縮され、第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１が上昇する。

　本実施形態においては、第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１が吐出圧力に近づいてきたタイミングで、区間ｂ１から区間ｂ２に移行する。具体的には、本実施形態においては、例えば吐出圧力に対して圧力Ｐ１１が所定の割合以上となった場合（圧力Ｐ１１が吐出圧力よりも低い所定の設定値以上となった場合）に、区間ｂ１から区間ｂ２に移行する。区間ｂ１から区間ｂ２に移行する際の吐出圧力に対する圧力Ｐ１１の割合については、送液ポンプ１の各構成要素の仕様などに応じて任意に設定することができる。圧力Ｐ１１が吐出圧力にできる限り近い値となるまで区間ｂ１の動作をすることにより、圧縮完了までの時間を短縮することができるが、何らかの原因で急に圧力Ｐ１１が上昇した場合には脈動が大きくなってしまう。そこで、例えば、コントローラ１０は、推定される圧力Ｐ１１の値が吐出圧力の９０％となったタイミングで、区間ｂ１から区間ｂ２に切り替える。なお、上記所定の設定値は、吐出圧力に対する圧力Ｐ１１の割合に限定されず、例えば、吐出圧力よりも所定の値だけ低い圧力値を上記所定の設定値としてもよい。

　第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１は、第１プランジャ２１の断面積Ａ、第１プランジャ２１の変位ｄｘ、溶媒の体積弾性率Ｋ、圧縮開始前の第１加圧室１１内の溶媒の体積Ｖ０から、以下の（式１）により推定することができる。
　Ｐ１１＝Ｋ×ｄＶ／Ｖ０＝Ｋ×Ａ×ｄｘ／Ｖ０　…（式１）
　ｄＶ（＝Ａ×ｄｘ）は第１加圧室１１内で圧縮される溶媒の体積である。第１プランジャ２１の変位ｄｘは、例えばエンコーダ（図１に図示せず）による測定や、第１電動モータ２１１がステップモータの場合はそのステップ数により算出されるモータの回転角度、ボールねじのリードから求めることができる。

　区間ｂ２において、コントローラ１０は、第１プランジャ２１の上昇速度を減速する。すなわち、例えば第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１が吐出圧力の所定の割合に達したら、第１プランジャ２１の上昇の減速を開始する。所定の速度（第２速度）まで減速したら、第１プランジャ２１の速度を一定とする。これにより、区間ｂ２においては、区間ｂ１と比較して第１プランジャ２１が低速で第１加圧室１１内を上昇する。

　第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１が吐出圧力よりも大きくなると、過圧縮によって吐出圧力に脈動が生じる。コントローラ１０は、吐出圧力の脈動によって、溶媒の圧縮が完了したと判断する。具体的には、コントローラ１０は、区間ｂ１の開始時（圧縮開始時）における吐出圧力をＰｂ１として、圧力センサ１１０の出力が吐出圧力Ｐｂ１よりも所定の閾値ΔＰだけ大きくなったら溶媒の圧縮が完了したと判断して、第１プランジャ２１の減速を開始し、一旦停止する（速度０まで減速する）。すなわち、圧縮開始時の吐出圧力と比較した吐出圧力の増加量が所定の閾値ΔＰ以上となった場合に、溶媒の圧縮が完了したと判断する。その後、区間ｃに移行する。なお、区間ｂ２においても、コントローラ１０は、第２プランジャ２２を区間ａ及びｂ１と同じ一定の正の速度で上昇させる。

　なお、第１プランジャ２１を停止しようとするとき、回転及び並進移動する物体の慣性によって、その減速度に比例する負荷が第１電動モータ２１１に加わる。急停止（加速度が無限大）すると第１電動モータ２１１が脱調し、正常な送液ができないため、第１電動モータ２１１が脱調しない範囲の負荷となるような減速度で第１電動モータ２１１を減速する必要がある。したがって、吐出圧力が、圧縮開始時の吐出圧力Ｐｂ１＋閾値ΔＰ以上となった後に、第１電動モータ２１１が減速を開始してから停止するまでに第１プランジャ２１が移動するので、その間は余分に溶媒を吐出することになり、吐出圧力は上昇を続ける。区間ｂ２の速度が小さければ、第１プランジャ２１が減速を開始してから停止するまでの時間が短くなるので、このときの圧力上昇が小さくなり、脈動が小さくなる。

　ただし、区間ｂの最初から低速（例えば、第２速度）で第１プランジャ２１を上昇させると、圧縮完了までに時間がかかり、その間に第２プランジャ２２が上限点まで到達すると送液ができなくなってしまう。したがって、上記のように区間ｂの最初（区間ｂ１）は第１プランジャ２１を高速で上昇させ、圧縮完了手前（区間ｂ２）では低速で上昇させることによって、低速で第１プランジャ２１が移動する区間ｂ２の時間を短くすることができるので、安定した送液を実現できる。

　区間ｃにおいて、コントローラ１０は、第１プランジャ２１を一定の速度で上昇させ、第２プランジャ２２を一定の速度で下降させる。第２プランジャ２２が下限点に到達した段階で、区間ｄに移行する。

　区間ｄにおいて、コントローラ１０は、区間ｃよりも低い一定の速度で第１プランジャ２１を上昇させる。また、コントローラ１０は、区間ｄにおいては第２プランジャ２２を停止する。区間ｄにおいては、過圧縮に伴う脈動はほぼ収まっており吐出圧力はほぼ一定である。

＜第１の実施形態の変形例１＞
　上述の区間ｂ２において、第１プランジャ２１を一定の第２速度で上昇させた後、圧縮が完了した段階でさらに減速を開始し、一旦停止させることを説明した。しかし、一定の第２速度で第１プランジャ２１を上昇させ、圧縮が完了した後一旦停止させることなく区間ｃに移行して、速度を上げてもよい。これによって、ポンプの駆動周期を短くできるとともに、第１プランジャ２１および第２プランジャ２２の移動距離を短くすることができる。

＜第１の実施形態の変形例２＞
　第１の実施形態において、第１プランジャ２１による溶媒の圧縮が完了したことの判断について、コントローラ１０は、区間ｂ１の開始時（圧縮開始時）における吐出圧力Ｐｂ１よりも、圧力センサ１１０が出力する吐出圧力が所定の閾値ΔＰだけ大きくなった場合に、第１プランジャ２１による溶媒の圧縮が完了したと判断することを説明した。この判断方法では、吐出圧力が変化して脈動が発生する直前の圧力が圧縮開始時における吐出圧力Ｐｂ１と大きく異なっている場合に、適切に圧縮の完了を判断できず、脈動が大きくなったり、圧縮が十分に行われる前に圧縮工程が終了したりする可能性がある。そこで、この代わりに、コントローラ１０は、圧力センサ１１０が出力する吐出圧力の変化率（増加率）が所定の閾値以上となった場合に、第１プランジャ２１による溶媒の圧縮が完了したと判断するようにしてもよい。

　図４は、変形例２に係る第１プランジャ２１の速度の制御方法を説明するためのグラフである。図４中の「第１プランジャ変位」、「第１プランジャ速度」及び「圧力」のグラフは図３に示したものと同じである。図４の一番下のグラフは、横軸を時間とし、縦軸を吐出圧力の変化率としたものである。図４に示すように、コントローラ１０は、圧力センサ１１０の出力値から、吐出圧力の変化率を算出する。この吐出圧力の変化率が所定の閾値以上となったタイミングで、溶媒の圧縮が完了したと判断して、第１プランジャ２１の減速を開始する。これによって、吐出圧力が変化する場合でも、より適切に圧縮の完了を判断することができる。

＜第１の実施形態の変形例３＞
　図５は、変形例３に係る第１プランジャ２１の速度の制御方法を説明するためのグラフである。図５中の「第１プランジャ変位」及び「第１プランジャ速度」のグラフは図３に示したものと同じである。図５の一番下のグラフは、横軸を時間とし、縦軸を吐出圧力としているが、吐出圧力が一定でない場合を示している。

　図５に示すように、本変形例３において、コントローラ１０は、圧力センサ１１０が出力する吐出圧力の変化（区間ａ及び区間ｂでの圧力の履歴）から現在の圧力を予測し、その予測値よりも現在の圧力センサ１１０の出力値が（脈動によって）所定の閾値ΔＰだけ大きくなった場合に、第１プランジャ２１による溶媒の圧縮が完了したと判断してもよい。これによって、吐出圧力が変化する場合でも、より適切に圧縮の完了を判断することができる。

　以上、本実施形態の送液ポンプ１を液体クロマトグラフ１００に適用する例を説明したが、これに限定されず、本実施形態の送液ポンプ１は、例えば液体クロマトグラフ質量分析装置（ＬＣ／ＭＳ）など、送液ポンプが用いられる他の装置にも適用可能である。

＜技術的効果＞
　以上のように、本実施形態の送液ポンプ１は、第１プランジャ２１による溶媒の圧縮工程（区間ｂ）において、まず一定の第１速度で第１プランジャ２１を上昇させたのち、第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１が、吐出圧力よりも低い所定の設定値以上となったら、第１プランジャ２１の速度の減速を開始して、第２速度まで減速し、第２速度で一定として第１プランジャ２１を上昇させる。圧力センサ１１０の出力が吐出圧力Ｐｂ１よりも所定の閾値ΔＰだけ大きくなったら、溶媒の圧縮が完了したと判断して、第１プランジャ２１を一旦停止する。このように、溶媒の圧縮が完了する前に、第１プランジャ２１の上昇の速度を減速することにより、第１プランジャ２１が減速を開始してから停止するまでの時間が短くなるので、このときの圧力上昇が小さくなり、脈動が小さくなる。

　圧力脈動の小さい送液によって、検出器に生じるノイズが小さくなり、感度の高い分析を実現できる。また、圧力脈動が小さいことで分離カラムに加わる負荷が小さくなり、その寿命を長くすることができる。

　また、本実施形態の送液ポンプ１は、第１プランジャポンプ１０１の第１加圧室１１内の溶媒の圧力を（式１）により推定するため、圧力センサ１１０を１つのみ（第２プランジャポンプ１０２の下流にのみ）有していればよい。これにより、圧力センサを２つ用いるよりもポンプ容積が小さくなるので、溶媒置換を早くすることができる。また、圧力センサが１つのみであるので、２つ設置するよりも装置のコストを低減できる。さらに、圧力センサが１つのみであるので、圧力センサの固体差の調整が不要であり、生産効率を向上できる。

［第２の実施形態］
　第１の実施形態においては、第１プランジャ２１による溶媒の圧縮工程（区間ｂ）において、上記（式１）から推定される第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１が、吐出圧力よりも低い所定の設定値以上となったら、区間ｂ１から区間ｂ２に移行することを説明した。（式１）では、第１プランジャ２１の変位に対して第１加圧室１１の圧力Ｐ１１が比例する。しかしながら、第１シール６１と第１プランジャ２１の間に漏れや、第１逆止弁５１の逆流などが生じた場合、第１プランジャ２１の変位に対して、第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１には遅れが生じる（第１プランジャ２１の変位が小さい領域では圧力Ｐ１１が上がらない）。また、第１シール６１と第１プランジャ２１の間に漏れや、第１逆止弁５１の逆流がある場合、第１プランジャ２１の移動によって第１加圧室１１内で圧縮される溶媒の体積はｄＶ（＝Ａ×ｄｘ）よりも小さくなる。この第１シール６１と第１プランジャ２１の間に漏れや、第１逆止弁５１の逆流がある場合は、送液ポンプ１の使用時間などに応じて変化するので、最新の状態を反映する必要がある。さらに、溶媒の体積弾性率Ｋの値を特定できない場合もある。

　そこで、第２の実施形態においては、区間ｂ１から区間ｂ２に移行するタイミングの他の判断方法を提案する。本実施形態の送液ポンプの構成は、図１に示した第１の実施形態に係る送液ポンプ１と同じものを採用できる。

　本実施形態の送液方法を概説すると、第１の実施形態と異なり、複数周期の圧縮完了時の第１プランジャ２１の変位と圧力の履歴（関係式）を用いて、第１加圧室１１内の現在の圧力Ｐ１１を推定し、区間ｂ１から区間ｂ２に移行するタイミングを判断する。圧縮完了時の第１プランジャ２１の変位と圧力の履歴については、以下、図６及び７を参照して説明する。

　図６は、送液ポンプ１による送液開始時の各プランジャの変位、溶媒の吐出流量及び圧力を示すグラフである。図６に示される４つのグラフの概要については、図２と同様であるため説明を省略する。図６に示すように、送液ポンプ１による送液を開始した段階においては、第１プランジャ２１の変位が周期ごとに増加し、吐出圧力も徐々に増加しており、数周期分の動作では吐出圧力は定常状態となっていない。

　図７は、圧縮完了時の第１プランジャ２１の変位と圧力の関係を示すグラフである。図７においては、図６に示した各周期の区間ｂ２における圧縮完了時の第１プランジャ２１の変位を横軸とし、圧縮完了時の圧力を縦軸としている。コントローラ１０は、複数の周期での圧縮完了時における第１プランジャ２１の変位と圧力とのデータを取得し、図７に示す近似直線５００（その他何らかの近似関数）を求める。この近似直線５００は、第１プランジャ２１の変位に対する、第１加圧室１１内の溶媒の圧縮中の圧力Ｐ１１とみなすことができる。図７に示すように、シール漏れ等による圧力上昇の遅れが生じた場合、近似直線５００の切片は負の値となる（０ではなくなる）。また、近似直線５００は、シール漏れ等のない理想的な状態である上記（式１）の直線５０１とは傾きが異なる。したがって、この近似直線５００を用いることで、より適切に圧力Ｐ１１を推定することができる。区間ｂ１において、近似直線５００から推定する第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１が吐出圧力に対し所定の割合以上（所定の設定値以上）となったら、区間ｂ２に移行して第１プランジャ２１の減速を開始する。

　なお、上述の近似直線５００を求める際のデータ数が多いほど、誤差を低減することができる。また、送液の開始直後（例えば、１周期目～２周期目）は、過去の履歴がない、あるいは少ないので、近似直線５００を求めることができない。したがって、第１の実施形態の方法で、（式１）により第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１を推定し、第１プランジャ２１の減速を開始するタイミングを判断する。その後、数周期分の履歴が取得された段階で、近似直線５００と現在の第１プランジャ２１の変位とによる判定に切り替えればよい。

＜技術的効果＞
　本実施形態の送液ポンプ１によれば、コントローラ１０は、第１プランジャ２１による溶媒の圧縮工程（区間ｂ）において、圧縮完了時の第１プランジャ２１の変位及び圧力の履歴（送液開始から複数周期分の履歴）から求められる近似直線５００と、現在の第１プランジャ２１の変位とに基づいて、現在の第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１を推定する。コントローラ１０は、推定した圧力Ｐ１１が、圧力センサ１１０で測定される吐出圧力よりも低い所定の設定値以上となったら、圧縮が完了したと判断し、第１プランジャ２１の上昇の減速を開始する。これにより、第１の実施形態と比較して、より正確に第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１推定することができ、より圧力脈動をより小さくすることができる。

［変形例］
　本開示は、上述した実施形態に限定されるものでなく、様々な変形例を含んでいる。例えば、上述した実施形態は、本開示を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備える必要はない。また、ある実施形態の一部を他の実施形態の構成に置き換えることができる。また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることもできる。また、各実施形態の構成の一部について、他の実施形態の構成の一部を追加、削除又は置換することもできる。

１　送液ポンプ
２　インジェクタ
３　分離カラム
４　検出器
５　廃液容器
１０　コントローラ
１１　第１加圧室
１２　第２加圧室
２１　第１プランジャ
２２　第２プランジャ
３１　第１吸引通路
３２　第２吸引通路
４１　第１吐出通路
４２　第２吐出通路
５１　第１逆止弁
５２　第２逆止弁
１００　液体クロマトグラフ
１０１　第１プランジャポンプ
１０２　第２プランジャポンプ
１０３　連結流路
１１０　圧力センサ
２１０　モータドライバ
３１０　パージバルブドライバ
４１０　電磁弁ドライバ

Claims

　第１プランジャを有する第１プランジャポンプと、
　第２プランジャを有し、前記第１プランジャポンプと直列に接続された第２プランジャポンプと、
　前記第２プランジャポンプの下流に配置された圧力センサと、
　前記圧力センサが測定した液体の吐出圧力の入力を受け付け、前記第１プランジャの駆動及び前記第２プランジャの駆動を制御する制御部と、を備え、
　前記制御部は、
　前記第１プランジャポンプにより前記液体を圧縮する際に、
　前記第１プランジャを第１速度で駆動したのち、前記圧縮が完了する前に、前記第１速度より遅い第２速度まで減速し、
　前記第１プランジャの駆動と並行して、前記第２プランジャを駆動して前記第２プランジャポンプから前記液体を吐出する
　ことを特徴とする送液ポンプ。
　前記制御部は、
　前記第１プランジャポンプ内の前記液体の圧力を推定し、推定された前記圧力が前記吐出圧力よりも低い所定の設定値以上となった場合に、前記第１速度から前記第２速度への減速を開始する
　ことを特徴とする請求項１記載の送液ポンプ。
　前記制御部は、
　前記液体の体積弾性率及び前記第１プランジャの変位に基づいて、前記第１プランジャポンプ内の前記液体の前記圧力を推定する
　ことを特徴とする請求項２記載の送液ポンプ。
　前記制御部は、
　前記第２速度で前記第１プランジャを駆動している間において、前記圧縮の開始時の前記吐出圧力と比較した前記吐出圧力の増加量が所定の閾値以上となった場合に、前記圧縮が完了したと判断し、さらに減速を開始する
　ことを特徴とする請求項１記載の送液ポンプ。
　前記制御部は、
　前記圧縮が完了したと判断し、さらに減速を開始した後、前記第１プランジャの駆動を一旦停止する
　ことを特徴とする請求項４記載の送液ポンプ。
　前記制御部は、
　前記第２速度で前記第１プランジャを駆動している間において、前記吐出圧力の変化率が所定の閾値以上となった場合に、前記圧縮が完了したと判断し、さらに減速を開始する　ことを特徴とする請求項１記載の送液ポンプ。
　前記制御部は、
　前記第２速度で前記第１プランジャを駆動している間において、前記吐出圧力の履歴から現在の圧力を予測し、その予測した圧力と比較した前記吐出圧力の差分が所定の閾値以上となった場合に、前記圧縮が完了したと判断し、さらに減速を開始する
　ことを特徴とする請求項１記載の送液ポンプ。
　前記制御部は、
　前記第２速度まで減速した後、前記第２速度で一定として前記第１プランジャを駆動する
　ことを特徴とする請求項１記載の送液ポンプ。
　前記制御部は、
　複数の送液周期での前記圧縮の完了時における前記第１プランジャの変位と前記吐出圧力との履歴に基づいて、前記第１プランジャポンプ内の前記液体の圧力を推定し、推定された前記圧力が前記吐出圧力に近づいた場合に、前記第１速度から前記第２速度への減速を開始する
　ことを特徴とする請求項１記載の送液ポンプ。
　前記制御部は、
　前記圧縮の完了時における前記第１プランジャの変位と前記吐出圧力との履歴に基づいて、近似関数を求め、現在の前記第１プランジャの変位を前記近似関数に当てはめることにより、前記第１プランジャポンプ内の前記液体の前記圧力を推定する
　ことを特徴とする請求項９記載の送液ポンプ。
　送液ポンプを用いた送液方法であって、
　前記送液ポンプによる送液を制御する制御部が、第１プランジャポンプ内で第１プランジャを第１速度で駆動し、前記第１プランジャポンプ内の液体を圧縮して、前記第１プランジャポンプと直列に接続された第２プランジャポンプに前記液体を吐出することと、
　前記制御部が、前記圧縮が完了する前に、前記第１速度より遅い第２速度まで前記第１プランジャの駆動を減速することと、
　前記制御部が、前記第１プランジャを駆動している間に、前記第２プランジャポンプ内の第２プランジャを駆動して前記液体を前記第２プランジャポンプから吐出することと、を含む
　ことを特徴とする送液方法。