(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の吸入通路と第一の吐出通路に連通する第一の加圧室と、前記第一の加圧室内を往復動する第一のプランジャを備えた第一のプランジャポンプと、
第二の吸入通路と第二の吐出通路に連通する第二の加圧室と、前記第二の加圧室内を往復動する第二のプランジャを備えた第二のプランジャポンプと、
前記第一のプランジャポンプと前記第二のプランジャポンプを直列または並列に接続する連結流路と、
回転動力を発生する少なくとも１つ以上の電動モータと、
前記電動モータの回転動力を直線往復動力に変換して前記第一のプランジャおよび前記第二のプランジャに伝達する動力伝達機構と、
前記電動モータを制御するモータドライバと、
前記第一の加圧室または第二の加圧室、またはその下流側の通路に設けた少なくとも１つ以上の圧力検出手段と、
前記圧力検出手段の測定値を読み取り、前記モータドライバに指令値を与えるポンプコントローラと、を備えた液体クロマトグラフ用ポンプであって、
前記ポンプコントローラは、
前記第一のプランジャポンプと前記第二のプランジャポンプが略一定の周期で交互に吸入、圧縮動作をするように、かつ、
常に、前記第一のプランジャポンプと前記第二のプランジャポンプのうちの少なくとも一方は送液している状態となるように、
前記第一のプランジャと前記第二のプランジャのリフト量を調整して送液流量を制御し、
前記第一のプランジャの動作速度をゼロにする第一の静止区間と、
前記第二のプランジャの動作速度をゼロにする第二の静止区間と、をそれぞれ設け、
前記第一の静止区間は、前記第一のプランジャポンプが吸引動作を終了するタイミングから、前記第二のプランジャポンプが圧縮動作を終了するタイミングまでの間における所定の区間であって、
前記第一のプランジャポンプの吐出圧力に基づいて、前記第一の静止区間および前記第二の静止区間の長さを調整し、
前記液体クロマトグラフ用ポンプの全体の流量に基づいて、前記第一のプランジャと前記第二のプランジャのリフト量を調整することを特徴とする液体クロマトグラフ用ポンプ。
【請求項２】
請求項１に記載の液体クロマトグラフ用ポンプであって、
前記ポンプコントローラは、
前記第一のプランジャポンプの吐出圧力が高圧になるほど、前記第一の静止区間を短くするように、かつ、前記第二の静止区間を長くするように調整し、
前記第一のプランジャポンプの吐出圧力が低圧になるほど、前記第一の静止区間を長くするように、かつ、前記第二の静止区間を短くするように調整することを特徴とする液体クロマトグラフ用ポンプ。
【請求項３】
請求項１に記載の液体クロマトグラフ用ポンプであって、
前記ポンプコントローラは、
前記液体クロマトグラフ用ポンプの全体の流量が多いほど、前記第一および第二のプランジャのリフト量を大きくするように調整し、
前記液体クロマトグラフ用ポンプの全体の流量が少ないほど、前記第一および第二のプランジャのリフト量を小さくするように調整することを特徴とする液体クロマトグラフ用ポンプ。
【請求項４】
請求項１に記載の液体クロマトグラフ用ポンプであって、
前記ポンプコントローラは、
前記第一のプランジャポンプの加圧室と前記第二のプランジャポンプの加圧室の圧力が略同一となったタイミングにおいて、
前記第一の静止区間が開始されるように前記第一のプランジャポンプの動作を制御することを特徴とする液体クロマトグラフ用ポンプ。
【請求項５】
請求項１に記載の液体クロマトグラフ用ポンプであって、
前記ポンプコントローラは、
前記第一の静止区間の長さを変化させ、前記第一のプランジャポンプと前記第二のプランジャポンプの駆動周期を略一定に維持することを特徴とする液体クロマトグラフ用ポンプ。
【請求項６】
請求項１に記載の液体クロマトグラフ用ポンプであって、
前記第一の加圧室と、前記第二の加圧室に前記圧力検出手段がそれぞれ設けられたことを特徴とする液体クロマトグラフ用ポンプ。
【請求項７】
請求項１に記載の液体クロマトグラフ用ポンプであって、
前記動力伝達機構はカムで構成され、前記カムのリフト量Ｌに対する回転角度θの微分値ｄＬ／ｄθが変化するカム位相において、
前記ポンプコントローラは、
前記電動モータの回転速度を変化させて、前記微分値ｄＬ／ｄθと前記電動モータの回転速度の積が略一定になるように制御することを特徴とする液体クロマトグラフ用ポンプ。
【請求項８】
溶離液を送液する送液ポンプと、
当該送液された溶離液の流路上に試料を注入するインジェクタと、
当該注入された試料を成分ごとに分離する分離カラムと、
当該分離された各成分を検出する検出器と、
前記送液ポンプを制御する制御装置と、を備えた液体クロマトグラフ装置であって、
前記送液ポンプは、
第一の吸入通路と第一の吐出通路に連通する第一の加圧室と、前記第一の加圧室内を往復動する第一のプランジャを備えた第一のプランジャポンプと、
第二の吸入通路と第二の吐出通路に連通する第二の加圧室と、前記第二の加圧室内を往復動する第二のプランジャを備えた第二のプランジャポンプと、
前記第一のプランジャポンプと前記第二のプランジャポンプを直列または並列に接続する連結流路と、
回転動力を発生する少なくとも１つ以上の電動モータと、
前記電動モータの回転動力を直線往復動力に変換して前記第一のプランジャおよび前記第二のプランジャに伝達する動力伝達機構と、
前記電動モータを制御するモータドライバと、
前記第一の加圧室または第二の加圧室、またはその下流側の通路に設けた少なくとも１つ以上の圧力検出手段と、を有し、
前記制御装置は、前記圧力検出手段の測定値を読み取り、前記モータドライバに指令値を与えるとともに、
前記第一のプランジャポンプと前記第二のプランジャポンプが略一定の周期で交互に吸入、圧縮動作をするように、かつ、
常に、前記第一のプランジャポンプと前記第二のプランジャポンプのうちの少なくとも一方は送液している状態となるように、
前記第一のプランジャと前記第二のプランジャのリフト量を調整して送液流量を制御し、
前記第一のプランジャの動作速度をゼロにする第一の静止区間と、
前記第二のプランジャの動作速度をゼロにする第二の静止区間と、をそれぞれ設け、
前記第一の静止区間は、前記第一のプランジャポンプが吸引動作を終了するタイミングから、前記第二のプランジャポンプが圧縮動作を終了するタイミングまでの間における所定の区間であって、
前記第一のプランジャポンプの吐出圧力に基づいて、前記第一の静止区間および前記第二の静止区間の長さを調整し、
前記液体クロマトグラフ用ポンプの全体の流量に基づいて、前記第一のプランジャと前記第二のプランジャのリフト量を調整することを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
【請求項９】
請求項８に記載の液体クロマトグラフ装置であって、
前記制御装置は、
前記第一のプランジャポンプの吐出圧力が高圧になるほど、前記第一の静止区間を短くするように、かつ、前記第二の静止区間を長くするように調整し、
前記第一のプランジャポンプの吐出圧力が低圧になるほど、前記第一の静止区間を長くするように、かつ、前記第二の静止区間を短くするように調整することを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
【請求項１０】
請求項８に記載の液体クロマトグラフ装置であって、
前記制御装置は、
前記液体クロマトグラフ用ポンプの全体の流量が多いほど、前記第一および第二のプランジャのリフト量を大きくするように調整し、
前記液体クロマトグラフ用ポンプの全体の流量が少ないほど、前記第一および第二のプランジャのリフト量を小さくするように調整することを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
【請求項１１】
請求項８に記載の液体クロマトグラフ装置であって、
前記制御装置は、
前記第一のプランジャポンプの加圧室と前記第二のプランジャポンプの加圧室の圧力が略同一となったタイミングにおいて、
前記第一の静止区間が開始されるように前記第一のプランジャポンプの動作を制御することを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
【請求項１２】
請求項８に記載の液体クロマトグラフ装置であって、
前記制御装置は、
前記第一の静止区間の長さを変化させ、前記第一のプランジャポンプと前記第二のプランジャポンプの駆動周期を略一定に維持することを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
【請求項１３】
請求項８に記載の液体クロマトグラフ装置であって、
前記第一の加圧室と、前記第二の加圧室に前記圧力検出手段がそれぞれ設けられたことを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
【請求項１４】
請求項８に記載の液体クロマトグラフ装置であって、
前記動力伝達機構はカムで構成され、前記カムのリフト量Ｌに対する回転角度θの微分値ｄＬ／ｄθが変化するカム位相において、
前記制御装置は、
前記電動モータの回転速度を変化させて、前記微分値ｄＬ／ｄθと前記電動モータの回転速度の積が略一定になるように制御することを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体クロマトグラフ用ポンプ、および液体クロマトグラフに係わる。
【背景技術】
【０００２】
従来の液体クロマトグラフに用いられるポンプには、２台のプランジャポンプが直列、または並列に接続され、その第１プランジャポンプ及び第２プランジャポンプが協調動作して脈動を低減する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。例えば、特許文献１に記載された構成では、第１プランジャポンプと第２プランジャポンプが直列に接続され、プランジャの往復動がカムで駆動される構成において、ポンプ動作のフェーズ１では、下流側ポンプ１ａが吸入動作を行い（吐出流量０）、上流側ポンプ１ｂが流量Ｑで吐出し、合計の吐出量はＱとなる。フェーズ２では、両ポンプとも流量Ｑ／２で吐出し、合計吐出量はＱとなる。フェーズ３では、上流側ポンプ１ｂが流量３Ｑ／２で吸入動作を行い、下流側ポンプ１ａが流量３Ｑ／２＋Ｑで吐出動作を行い、合計吐出量はＱとなる。このようにして、各ポンプの吸入動作に関係なく、常に合計流量Ｑになるように安定して送液することで、脈動を低減するようにしている。
【０００３】
また、プランジャの位置を検出するセンサと流量センサの検出値から、プランジャを駆動するモータの回転数を制御して、脈動の発生を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
しかしながら、特許文献１や特許文献２に記載された発明では、ポンプの加工精度，組み立て精度，制御の精度について考慮されていない。例えば、プランジャポンプを駆動するカム機構のバックラッシや寸法上のガタ，製作精度，速度切替え時の振動等によって、少なからずとも周期的な脈動が発生する。このようにして発生した脈動は、液体クロマトグラフの分離カラムを通過する溶媒流量や溶媒の混合比率に変動を生じさせ、クロマトグラム上に表される検出結果の精度の低下を招く。そのため、実際の装置の構成を考慮して液体クロマトグラフ用ポンプの圧力脈動を小さく抑える技術が望まれている。
【０００５】
液体クロマトグラフのポンプで発生した脈動を、分離カラムへ持ち込まないために、ミキサーや脈動吸収ダンパーを配管に設ける技術も知られている（例えば、特許文献３参照）。しかし、これらの装置は、特定周期の脈動の減衰には効果があるが、本願発明の対象である液体クロマトグラフ用ポンプは、駆動周期を変化させて吐出流量を制御するため、全ての周期の脈動を低減させることは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１８０６１７号公報
【特許文献２】特開２００７−１１３４３９号公報
【特許文献３】特開２００８−２６４６４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、吐出流量を変えても脈動を低減することが可能な液体クロマトグラフ用ポンプ、および液体クロマトグラフを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の実施態様は、直列または並列に接続された第一のプランジャポンプと第二のプランジャポンプと、ポンプコントローラとを備え、該ポンプコントローラは、直列または並列に接続された第一のプランジャポンプと第二のプランジャポンプを略一定の周期で交互に吸入，圧縮動作を行わせ、少なくとも１つのプランジャポンプの加圧室は他よりも高圧状態にさせ、第一のプランジャと第二のプランジャのリフト量を調整して流量制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、吐出流量を変えても脈動を低減することが可能な液体クロマトグラフ用ポンプ、および液体クロマトグラフを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】液体クロマトグラフの構成を示す構成図である。
【図２】各プランジャの変位，圧力，流量の時間変化を示すグラフである。
【図３】各プランジャの変位と速度の時間変化を示すグラフである。
【図４】第一のプランジャの変位の時間変化を示すグラフである。
【図５】各プランジャの変位と第一のポンプの圧力の時間変化を示すグラフである。
【図６】プランジャの変位，速度，加速度の時間変化を示すグラフである。
【図７】第１のプランジャおよび第２のプランジャの変位と速度の時間変化を示すグラフである。
【図８】液体クロマトグラフの構成を示す構成図である。
【図９】各プランジャの変位と第一のプランジャポンプの圧力の時間変化を示すグラフである。
【図１０】液体クロマトグラフ用ポンプを２台使用して高圧グラジエントシステムを構築した液体クロマトグラフの構成を示す構成図である。
【図１１】２つの溶媒液の流量と２つの液体クロマトグラフ用ポンプのそれぞれの第一プランジャのリフト量の時間変化の一例を示すグラフである。
【図１２】図１に示す液体クロマトグラフ用ポンプに用いられるプランジャを駆動するカムのリフト量，カムの回転速度，カムの回転加速度，駆動モータの回転速度の時間変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明による実施例を、以下、図面を参照して説明する。
【００１２】
〔実施例〕
はじめに、本発明の構成をまとめると、次のようになる。
【００１３】
本発明による液体クロマトグラフ用ポンプは、直列または並列に接続された第一のプランジャポンプおよび第二のプランジャポンプと、第一のプランジャポンプの加圧室内を往復動する第一のプランジャと、第二のプランジャポンプの加圧室内を往復動する第二のプランジャと、回転動力を発生する少なくとも１つ以上の電動モータと、電動モータの回転動力を直線往復動力に変換して第一のプランジャおよび第二のプランジャに駆動力を与える動力伝達機構と、電動モータを制御するモータドライバと、第一のプランジャポンプの加圧室に設けられた第一の圧力センサと、第二のプランジャの下流側の通路に設けられた第二の圧力センサと、両圧力センサの測定値を読み取りモータドライバに指令を与えるポンプコントローラとを備え、ポンプコントローラは、第一のプランジャポンプと第二のプランジャポンプに略一定の周期で交互に吸入，圧縮動作を行わせ、１つのプランジャポンプの加圧室を他のプランジャポンプの加圧室よりも高圧状態にさせ、第一のプランジャと第二のプランジャのリフト量を調整して流量制御することを特徴とする。これにより、各プランジャポンプの吐出流量に拘束されずに、プランジャポンプの動作周期に同期した脈動を一定周期に発生させることができる。
【００１４】
また、好ましくは、第二のプランジャの動作速度をゼロにする静止期間を設け、静止期間中は第一のプランジャポンプのみで高圧送液を行う構成とする。さらに好ましくは、ポンプコントローラは送液量に応じて前述の静止期間の長さ、および第一のプランジャのリフト量を調整する構成とする。こうすることにより、合計吐出量は第一のプランジャポンプのリフト量で制御することになり、流量制御が簡素になる。
【００１５】
また、好ましくは、ポンプコントローラは、第一のプランジャポンプが吸引動作を終了するタイミングから、第二のプランジャポンプが圧縮動作を終了するタイミングまでの間に、第一のプランジャが動作速度ゼロの状態を所定の期間維持するようにポンプコントローラが制御する構成とする。これにより、プランジャポンプの吐出圧力，流量，溶媒の変化等で圧縮に要する時間が変動した場合においても、この待ち時間を調整してプランジャポンプの１サイクルの駆動周期を略一定に調整することができる。
【００１６】
また、好ましくは、第一のプランジャの速度がゼロになるように制御しはじめるのは、第一のプランジャポンプの圧力が第二のプランジャポンプの圧力と略同等になった時点であることとする。こうすることにより、予圧縮操作を確実に行うことができる。
【００１７】
また、好ましくは、ポンプコントローラは、圧力検出手段の検出値に応じて動作速度ゼロの期間を変化させ、第一のプランジャポンプおよび第二のプランジャポンプの駆動周期を略一定に維持する構成とする。こうすることにより、動作速度ゼロの期間、すなわち待ち時間を調整して、ポンプの駆動周期を目標値と一致させることが容易になる。
【００１８】
また、好ましくは、第一のプランジャおよび第二のプランジャの加速度の絶対値に特定の上限値を設ける構成とする。こうすることにより、速度変化が滑らかになり、速度変化が発生するタイミングでバックラッシや振動等の影響が低減され、脈動が小さくなる。
【００１９】
また、好ましくは、第一のプランジャポンプと第二のプランジャポンプの圧力が略同一になった時点で、一旦、両プランジャの速度をゼロにする構成とする。こうすることにより、送液するプランジャポンプが切替わるときに、断続的な速度変化が生じなくなり、脈動が小さくなる。
【００２０】
また、好ましくは、第一の吐出通路と第二の吸入通路は連結し、第一の吸入通路と第一の吐出通路にそれぞれ逆止弁を設けた構成とする。すなわち、２つのプランジャポンプを直列に連結することであり、上述の駆動方法を効果的に実現できる。
【００２１】
または、第一の吐出通路と第二の吐出通路を連結し、かつ、第一の吸入通路と第二の吸入通路も連結し、第一および第二の吸入通路と吐出通路内にそれぞれ逆止弁を設けた構成とする。すなわち、２つのプランジャポンプを並列に連結することであり、この構成でも上述の駆動方法を効果的に実現できる。
【００２２】
また、好ましくは、第一の加圧室と、第二の加圧室に前記圧力検出手段をそれぞれ設ける構成とする。こうすることにより、第一のプランジャポンプと第二のプランジャポンプの圧力が略同一になる判断が確実に行える。
【００２３】
また、好ましくは、第一の加圧室と、第二の吐出通路に圧力センサを設ける構成とする。こうすることにより、第二の加圧室と同等の圧力を第二の吐出通路で検出することができるので、圧力センサを第二の加圧室に設けることによるデッドボリュームを低減して、プランジャポンプの容積効率を向上することができる。
【００２４】
また、好ましくは、複数種類の溶媒の濃度比を変化させながら送液するグラジエント運転モードにおいて、第一のプランジャポンプと第二のプランジャポンプの送液量が変化する際に、ポンプコントローラは、第一のプランジャと第二のプランジャのリフト量を調整して流量制御し、プランジャの駆動周期を略一定に保つように制御する構成とする。こうすることにより、グラジエント運転モードで時々刻々と変化する溶媒の混合比率に影響されることなく、脈動の発生周期を一定に保つことができ、その脈動の発生周期をダンパーやミキサーの効率のよい周期とすることで液体クロマトグラフシステム全体の特性を向上することができる。
【００２５】
また、好ましくは、動力伝達機構はカムで構成され、カムのリフト量Ｌに対する回転角度θの微分値ｄＬ／ｄθが変化するカム位相において、電動モータの回転速度を変化させて、微分値ｄＬ／ｄθと電動モータの回転速度の積が、その前後の値と略一定になるカム位相がある構成とする。微分値ｄＬ／ｄθのプロファイルを調整することにより、電動モータの回転速度に所望の変化率を与えることができる。例えば、微分値ｄＬ／ｄθを瞬時に２倍にすると、モータの回転速度を瞬時に１／２にして、かつ吐出流速を一定に保つことができる。
【００２６】
また、好ましくは、電動モータは２つあり、２つのプランジャポンプをそれぞれ独立に駆動できる構成とする。こうすることにより、様々な物性値の液体にも適切な予圧縮量を与え、脈動を低減する自由度を確保できる。
【００２７】
また、好ましくは、第一の溶離液を送液する第一のポンプと、第二の溶離液を送液する第二のポンプと、第一の溶離液および第二の溶離液を混合するミキサーと、該ミキサーで混合された溶離液に試料を注入するインジェクタと、該インジェクタで試料が注入された溶離液をその成分に分離する分離カラムと、該分離カラムで試料が成分に分離された溶離液を流入させ、光を照射して成分を検出する検出器とを備えた液体クロマトグラフであって、第一のポンプおよび第二のポンプは、それぞれ、直列に接続された第一のプランジャポンプと第二のプランジャポンプと、ポンプコントローラとを備え、該ポンプコントローラは、第一のプランジャポンプと第二のプランジャポンプを略一定の周期で交互に吸入，圧縮動作を行わせ、少なくとも１つのプランジャポンプの加圧室は他よりも高圧状態にさせ、第一のプランジャポンプのプランジャと、第二のプランジャポンプのプランジャのリフト量を調整して流量制御することを特徴とする。このように、溶離液を２種類用いる場合には、それぞれの溶離液を送液するポンプを設け、それぞれのポンプが上述の本発明の特徴を備えたものとすることによって、脈動を低減することができる。
【００２８】
以下、図面を用いて、本発明の実施例を説明する。
【００２９】
図１は、液体クロマトグラフの構成を示す構成図である。図１において、液体クロマトグラフ用ポンプ１の主要な構成は、第一のプランジャポンプ１０１，第二のプランジャポンプ１０２，ポンプコントローラ５０，モータドライバ１０６である。第一のプランジャポンプ１０１には、第一の吸入通路１０，第一の吐出通路１０３，第一の加圧室１２が形成されている。第一の吸入通路１０と第一の吐出通路１０３の通路上には、逆止弁４と逆止弁５が配置されており、ばねによりそれぞれ一方向に保持され、溶媒液の流通方向を制限するチェック止弁となっている。第二のプランジャポンプ１０２には、第二の吸入通路１０４，第二の吐出通路１１，第二の加圧室１３が形成され、第一の吐出通路１０３と第二の吸入通路１０４は連結されている。すなわち、第一のプランジャポンプ１０１と第二のプランジャポンプ１０２は直列に配置され、第一のプランジャポンプ１０１が上流側に設置されている。第一のプランジャポンプ１０１には、加圧部材である第一のプランジャ２が、軸受７１により摺動可能に保持されている。第二のプランジャポンプ１０２には、加圧部材である第二のプランジャ３が、軸受７２により摺動可能に保持されている。
【００３０】
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、第一のプランジャ２を往復運動させる。同様に、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、第二のプランジャ３を往復駆動させる。
【００３１】
ここで、減速装置２２１と直動装置２３１は、これらを組み合わせることによって電動モータ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。減速装置２２１の具体例としては、平歯車，プーリー，遊星歯車，ウォームギヤ等などがある。減速装置を設ける理由は、電動モータのトルクを増大させるためであり、もし電動モータが十分なトルクを発生する能力があるならば、必ずしも設置する必要は無い。直動装置２３１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あり、本発明を実施するうえで特に限定はしない。シール６１は、第一の加圧室１２からの液漏れを防止し、シール６２は、第二の加圧室１３からの液漏れを防止している。ポンプコントローラ５０は、圧力センサ６０，１０５からの信号に基づき、モータドライバ１０６に指令値を与えて、電動モータ２１１，２１２に駆動電力を与える。
【００３２】
溶媒液容器５１の溶媒液は、第一の吸入通路１０より第一のプランジャポンプ１０１の内部の第一の加圧室１２に吸引され、続いて圧縮されて第一の吐出通路１０３と第二の吸入通路１０４を経て第二のプランジャポンプ１０２の第二の加圧室１３に吸引され、続いて圧縮されて第二の吐出通路１１から吐出された後、インジェクタ５３で分析対象となる試料が注入される。試料が混合された溶媒液は、分離カラム５４に入り、成分毎に分離された後に検出器５５で成分分析のためのデータが検出される。分離カラム５４には、微小なシリカゲル粒が充填されており、溶媒液がシリカゲル粒の隙間を流れる際の流体抵抗によって、プランジャポンプには数十ＭＰａから百ＭＰａ超の負荷圧力が発生する。この負荷圧力の大きさは、分離カラムの径と通過流量に応じて異なる。
【００３３】
図２は、各プランジャの変位，圧力，流量の時間変化を示すグラフであり、これを用いて液体クロマトグラフ用ポンプの運転方法について説明する。図２の横軸は時間、縦軸は、上から、第一のプランジャ２の変位，第二のプランジャ３の変位，圧力センサ１０５の検出圧力，圧力センサ６０の検出圧力，第一のプランジャ２の押しのけ容積（流量に相当），第二のプランジャ３の押しのけ容積（流量に相当），第二の吐出通路１１を通過する合計流量である。
【００３４】
図２の第一のプランジャ２の変位と第二のプランジャ３の変位の時間的変化からわかるように、定常運転時は、第一のプランジャ２と第二のプランジャ３は交互に吸入動作と圧縮動作を行い、液体クロマトグラフ用ポンプの全体として、一定流量を切れ目がなく安定して送液する。第一のプランジャ２と第二のプランジャ３の動作は、ポンプコントローラ５０がモータドライバ１０６に指令値を与えることによって、電動モータ２１１，２１２を駆動し、制御する。以下に、動作状態を説明する。
【００３５】
第一のプランジャ２が吸入動作中は、第二のプランジャ３が圧縮動作し、分離カラム５４へ溶媒液を送液する。このとき、第一のプランジャ２による押しのけ容積はゼロであり、第二のプランジャ３のみにより送液する。このとき、第二のプランジャ３の押しのけ容積をＱ［ｍＬ／ｓ（ミリリットル毎秒）］とすると、液体クロマトグラフ用ポンプの全体として、第二の吐出通路１１を通過する流量はＱ［ｍＬ／ｓ］である。この押しのけ容積Ｑ［ｍＬ／ｓ］は、第二のプランジャ３の動作速度Ｖ［cm／ｓ］とプランジャ断面積Ｓ［cm2］の積で計算される。
【００３６】
その後、第一のプランジャ２は吸入動作終了し、所定の期間ｔ１の間、停止し、その後、圧縮動作を開始する。そして、第一の加圧室１２の圧力が第二の加圧室１３と同等になった時点から、所定の期間ｔ２の間、停止する。ここで、期間ｔ２の停止タイミングは、ポンプコントローラ５０によって判定される。例えば、ポンプコントローラ５０は、圧力センサ１０５、および圧力センサ６０の検出圧力を参照して、第一の加圧室１２の圧力が第二の加圧室１３と同等になったと判断することで、期間ｔ２の停止タイミングを判定する。あるいは、運転条件に応じてあらかじめ定められた期間、例えば、圧力が同等になると予想される時間を停止タイミングとしてもよい。この間、第二のプランジャ３は一定速度で圧縮動作を続け、液体クロマトグラフ用ポンプの全体として、第二の吐出通路１１を通過する流量はＱ［ｍＬ／ｓ］のまま維持される。
【００３７】
その後、第二のプランジャ３は圧縮動作を終了し、吸入動作を開始すると、第一のプランジャ２は圧縮動作を開始する。第一のプランジャ２の押しのけ容積流量は、第二のプランジャ３が吸入する容積流量よりＱ［ｍＬ／ｓ］だけ大きくなるように制御し、液体クロマトグラフ用ポンプ１の全体としては差し引き一定の流量Ｑ［ｍＬ／ｓ］が第二の吐出通路１１を通過する。ここで、第二のプランジャ３が圧縮動作を終了するタイミングは、ポンプコントローラ５０によって決定判定される。
【００３８】
その後、第二のプランジャ３が吸入動作を終了すると、所定の期間ｔ３の間、停止する。その間、第一のプランジャ２は減速して圧縮動作を続ける。このときの第一のプランジャ２の押しのけ容積流量はＱ［ｍＬ／ｓ］とすることにより、液体クロマトグラフ用ポンプ１の全体としては差し引き一定の流量Ｑ［ｍＬ／ｓ］が第二の吐出通路１１を通過する。ここで、第二のプランジャ３が吸入動作を終了するタイミングは、ポンプコントローラ５０によって決定判定される。その後、第一のプランジャ２が圧縮動作を終了し、吸入動作を開始すると、第二のプランジャ３は圧縮動作を開始し、以降、同様の動作を繰り返す。
【００３９】
図３は、各プランジャの変位と速度の時間変化を示すグラフであり、以下にポンプコントローラ５０による流量制御方法について説明する。本実施例では、流量制御は、第一のプランジャ２および第二のプランジャ３のリフト量を調整することによって行う。第一のプランジャ２のリフト量は、主に、液体を吐出圧力まで昇圧（プレ圧縮と呼ぶ）するのに必要なリフト量Ｌ１と、プレ圧縮後の液体を圧送するリフト量Ｌ２との合計である。液体クロマトグラフ用ポンプ１の全体の流量が多い場合は、細線で示すように、リフト量Ｌ２を大きくする。このとき、リフト量Ｌ２の増大に伴い、第二のプランジャ３のリフト量Ｌ３も大きくする。また、期間ｔ１や期間ｔ２をバッファとして、全体の駆動周期Ｔが一定となるように調整する。これにより、プランジャポンプの駆動周期Ｔを変えずに流量を制御することができる。また、流量が少ない場合の駆動プロファイルを点線で示す。この場合はリフト量Ｌ２とリフト量Ｌ３が小さくなる。この場合でも、図に示される通り、プランジャポンプの駆動周期Ｔを一定に維持する。このように、制御流量に拘わらずプランジャポンプの駆動周期Ｔを一定にすることで、例えば、ダンパーの脈動吸収性能が良好な周波数帯域にプランジャポンプの駆動周期を一致させることで、脈動を低減することができる。
【００４０】
図４は、第一のプランジャの変位の時間変化を示すグラフである。図４（ａ）は、第一のプランジャ２の動作速度がゼロになる期間ｔ１を示し、期間ｔ２はほぼゼロに設定した場合、図４（ｂ）は、第一のプランジャ２の動作速度がゼロになる期間ｔ２を示し、期間ｔ１はほぼゼロに設定した場合である。期間ｔ１および期間ｔ２の長さは自由に設定できるので、必要に応じて図４に示すように、ポンプコントローラ５０による制御の設定を行うことができる。
【００４１】
図５は、各プランジャの変位と第一のプランジャポンプ１０１の圧力の時間変化を示すグラフであり、吐出圧が異なる場合のポンプコントローラ５０による駆動プロファイルの例を示す。グラフの上から順に、第一のプランジャ２の変位，第二のプランジャ３の変位，第一のプランジャポンプ１０１の圧力を示す。第一のプランジャポンプ１０１の圧力は、圧力センサ６０の検出圧力である。期間ｔ１の経過後に、第一のプランジャ２が溶媒を圧縮し、吐出開始しはじめると、Ａ点で第二のプランジャ３は吸引動作を開始し、Ｂ点まで吸引動作を続ける。細線で示す駆動プロファイルは高圧吐出の場合である。高圧にするためには長めのストロークを要するので、期間ｔ１を短く、期間ｔ３を長くし、第一のプランジャ２が圧縮中の第二のプランジャ３の吸引動作の開始点と終了点を遅らせる。点線で示す駆動プロファイルは低圧吐出の場合である。低圧にするためには短めのストロークを要するので、期間ｔ１を長く、期間ｔ３を短くし、第一のプランジャ２が圧縮中の第二のプランジャ３の吸引動作の開始点と終了点を早めるようにする。
【００４２】
図６は、プランジャの変位，速度，加速度の時間変化を示すグラフであり、ポンプコントローラ５０によるプランジャの駆動制御を説明するものである。細線は、加速度の絶対値の大きさに制限を設けない場合の例を示し、太線は加速度の絶対値の大きさに制限を設けた場合の例を示す。細線の加速度に制限を設けない場合、速度のプロファイルは、Ａ点において瞬時に負の値からゼロに変化する。このような速度変化に要する時間がゼロの場合、加速度は、理論上無限大であるが、実際の値はアクチュエータの能力の許す限り非常に大きな値になる。このような運転方法を採用すると、アクチュエータから強い振動が発生したり、プランジャや配管等を通じて水撃や脈動が発生したりするので望ましくない。そこで、太線に示すように加速度に有限の上限値を設けて駆動プロファイルを設定する。一方、プランジャの速度は、太線で示すように、変化するのにある程度の時間を要することになる。その結果、プランジャの変位は滑らかな軌跡を描く。次に、図６のＢ点に於いては、細線と太線とも有限の加速度を設けているが、細線は断続的な加速度のプロファイルなのに対して、太線は連続的に加速度が変化するようにしている。このＢ点の太線のような駆動プロファイルは、２つのプランジャポンプが吸入，吐出を切り替えるときに採用すると、吐出切替え時に水撃が小さく抑えられる利点がある。ちなみに、図６に示すプランジャの各プロファイルは、図２，図３、または図５に示す第一のプランジャの期間ｔ１の前と後の駆動プロファイルに適用することができる。
【００４３】
図７は、第一のプランジャおよび第二のプランジャの変位と速度の時間変化を示すグラフであり、図５に示したＡ部とＢ部のプロファイルの詳細を示している。グラフは上から順に第一のプランジャ２の変位，第二のプランジャ３の変位，第一のプランジャ２の速度，第二のプランジャ３の速度である。上述のコンセプトに倣って加速度に上限値を設けたため、速度が滑らかに変化する。ここで特徴的なのは、第一のプランジャ２と第二のプランジャ３の速度は、互いに速度変化を打ち消すようにして変化することである。こうすることにより、速度が変化する過渡状態において、加速度の上限値を設けたまま、プランジャポンプが吐出する流量を一定に維持しつつプランジャ動作の切り替えが可能となる。
【００４４】
図８は、液体クロマトグラフの構成を示す構成図であり、液体クロマトグラフ用ポンプ８０１は、第一のプランジャポンプ１０１と第二のプランジャポンプ１０２とが並列に接続されている構成を有している。溶媒液容器５１からポンプへ向かう吸入通路は第一の吸入通路１０と第二の吸入通路１０４とに分岐し、それぞれ第一のプランジャポンプ１０１と第二のプランジャポンプ１０２に接続する。また、第一の吐出通路１０３と第二の吐出通路１１は、第二のプランジャポンプ１０２の下流側で接続されており、第一のプランジャポンプ１０１と第二のプランジャポンプ１０２で圧縮された液体は、第一の吐出通路１０３と第二の吐出通路１１の接続部で合流し、分離カラム５４へ向かう。第一のプランジャポンプ１０１には、第一の吸入通路１０に逆止弁４が、第一の吐出通路１０３に逆止弁５が設けられ、第二のプランジャポンプ１０２には、第二の吸入通路１０４に逆止弁１０７が、第二の吐出通路１１に逆止弁１０８が設けられている。第一のプランジャポンプ１０１の動作と第二のプランジャポンプ１０２の動作は、ポンプコントローラ５０およびモータドライバ１０６によって個々に独立して制御されるので、それぞれのプランジャポンプは独立して液体を圧縮することができる。
【００４５】
図１に示した実施例では、圧力センサ６０を第二の吐出通路１１に設けた例を示したが、図８に示すように加圧室に設けてもよい。すなわち、第一のプランジャポンプ１０１の第一の加圧室１２に圧力センサ１０５が設けられ、第二のプランジャポンプ１０２の第二の加圧室１３に圧力センサ６０が設けられている。図１に示したような、圧力センサを吐出通路に設けることの利点は、加圧室に圧力センサを設置する場合に必要となる容積をなくすことで、デッドボリュームを極力抑えることができる点である。また、図８に示したような、圧力センサを加圧室に設けることの利点は、圧力センサを加圧室を含むポンプボディに直接差し込む構造により、吐出通路に設けるときの圧力センサ設置用の専用マウントを省略でき、コスト上有利である点である。一方、加圧室と吐出通路の圧力差は、実際には逆止弁の圧力損失程度しかなく、その影響を無視することができるため、圧力センサを設ける位置は、測定圧力の正確さによらずに選択してよい。
【００４６】
図９は、図８に示したように２個のプランジャポンプを並列に接続した場合の、各プランジャの変位と第一のプランジャポンプ１０１の圧力の時間変化を示すグラフである。グラフは上から順に、第一のプランジャ２の変位，第二のプランジャ３の変位，第一の加圧室１２の圧力，第二の加圧室１３の圧力を示す。細線，太線，点線にて、それぞれ流量が大きい，中程度，小さいの３つの場合の駆動プロファイルについて、変位と圧力の時間変化を示している。基本動作としては、第一のプランジャ２が吸入動作中は第二のプランジャ３が圧縮動作を行い、第二のプランジャ３が吸入動作中は第一のプランジャ２が圧縮動作を行うように、ポンプコントローラ５０が制御を行う。
【００４７】
第一のプランジャ２は、吸入動作から圧縮動作に切り替わった直後は、第一の加圧室１２の圧力が吐出圧力、すなわち第二の加圧室１３の圧力に到達するまで吐出できないため、第二のプランジャ３が圧送動作を続ける。望ましくは、第一の加圧室１２の圧力が第二の加圧室１３の圧力に到達した時点で、一旦、第一のプランジャ２の動作速度をゼロにするのがよい。第二のプランジャポンプ１０２が圧送を終了し、第一のプランジャポンプ１０１が圧送をはじめるときは、第一のプランジャ２の速度を徐々に加速し、それに比例して第二のプランジャ３の速度を減速する。そうすることによって、吐出するポンプ間の切り替えがスムーズに行える。ポンプコントローラ５０による各プランジャポンプの流量制御は、第一のプランジャ２のリフト量（Ｌ１＋Ｌ２）と第二のプランジャ３のリフト量（Ｌ３ａ＋Ｌ３ｂ）を変化させることによって行うことができる。ここで、第一のプランジャ２と第二のプランジャ３の加圧部の径が同じであり、加圧室の容積等も同等の場合は、両プランジャのリフト量は同等になる（Ｌ１≒Ｌ３ａ，Ｌ２≒Ｌ２）。もし、一方のプランジャ直径が小さい場合は、その直径にほぼ反比例してリフト量は大きくなる。またプランジャポンプの吐出圧力を変化させる場合は、プレ圧縮のリフト量（Ｌ１，Ｌ３ａ）を変化させて対応することができる。
【００４８】
図１０は、液体クロマトグラフ用ポンプを２台使用して高圧グラジエントシステムを構築した液体クロマトグラフの構成を示す構成図である。グラジエント運転とは、２種類の溶媒液Ａと溶媒液Ｂの混合比を、時間と共に階段状に変えていく運転方法のことであり、溶媒液容器５１１の溶媒液Ａの流量Ｑａと、溶媒液容器５１２の溶媒液Ｂの流量Ｑｂとの和である総送液流量を一定にしながら、流量Ｑａと流量Ｑｂの比率を変える。
【００４９】
図１０において、第一の液体クロマトグラフ用ポンプ１００１と、第二の液体クロマトグラフ用ポンプ１００２とは、並列に接続されている。第一の液体クロマトグラフ用ポンプ１００１の吐出通路に、脈動吸収ダンパー１０９を設け、第二の液体クロマトグラフ用ポンプ１００２の吐出通路に、脈動吸収ダンパー１１０を設ける。それぞれの溶媒液は、ミキサー５７で混合されてインジェクタ５３へ送液され、試料を混合される。試料が混合された溶媒液は、分離カラム５４に入り、成分毎に分離された後に検出器５５で成分分析のためのデータが検出される。分離カラム５４には、微小なシリカゲル粒が充填されており、溶媒液がシリカゲル粒の隙間を流れる際の流体抵抗によって、各プランジャポンプには数十ＭＰａから百ＭＰａ超の負荷圧力が発生する。この負荷圧力の大きさは、分離カラムの径と通過流量に応じて異なる。
【００５０】
第一の液体クロマトグラフ用ポンプ１００１は、圧力センサ６０１，６０２の検出値をポンプコントローラ５０１に取り込み、モータドライバ１０６１を介して電動モータを制御し、プランジャを駆動する。第二の液体クロマトグラフ用ポンプ１００２は、圧力センサ６０３，６０４の検出値をポンプコントローラ５０２に取り込み、モータドライバ１０６２を介して電動モータを制御し、プランジャを駆動する。ポンプコントローラ５０１，５０２は、上位コントローラ７０と通信し、上位コントローラ７０の指令値に基づき各液体クロマトグラフ用ポンプを制御する。
【００５１】
図１１は、２つの溶媒液の流量と２つの液体クロマトグラフ用ポンプのそれぞれの第一プランジャのリフト量の時間変化の一例を示すグラフである。総流量を例えば１００とすると、グラジエント運転における流量の時間変化は、図１１に示すように、最初はＱａ：Ｑｂ＝１：９９からスタートし、この比率が次は２：９８，３：９７，・・・，５０：５０，・・・，９８：２，９９：１と混合比を変えていく。これは１００段階のグラジエントの場合であり、総送液流量を１ｍＬ／minとすると、最小流量及び分解能はこの１／１００の１０μＬ／minが要求される。この間、各ポンプの流量を徐々に増減させるには、図１１の最下段に示すように、上位コントローラ７０の指令により、プランジャのリフト量を増減させる必要がある。
【００５２】
上位コントローラ７０による以上の制御により、流量を変化させても各プランジャポンプの駆動周期はほぼ一定に保たれ、駆動周期に同期して脈動も発生する。しかし、溶媒液Ａと溶媒液Ｂがミキサー５７で混合されるとき、各溶媒液の脈動に起因する混合比の変動が抑えられ、クロマトグラム上での検出精度を向上させえることができる。また、もしミキサー５７や脈動吸収ダンパー（図示せず）の脈動吸収性能が、特定の周波数帯で良好な特性を有している場合、各ポンプの駆動周期をその周波数帯にあわせて駆動することにより、溶媒液Ａと溶媒液Ｂとをよく混合させることができ、その結果、分析精度を向上させることができる。ところで、混合する溶媒の組み合わせによっては、混合液の粘性や密度等の物性値が、混合比に対して非線形に変化する場合がある。この対応手法として、例えば、特開２００４−１３７９７４号公報に記載されている手法が知られている。
【００５３】
図１２は、図１に示す液体クロマトグラフ用ポンプに用いられるプランジャを駆動するカムのリフト量，カムの回転速度，カムの回転加速度，駆動モータの回転速度の時間変化を示すグラフである。モータの回転運動をプランジャの直線運動へ変換する機構には、ボールねじやラックピニオン等の直動機構とカム機構とがある。直動機構の場合、基本的に回転軸の回転角度に比例して変位するので、プランジャの直線運動の速度や加速度を変える場合は、回転軸の回転を変化させて行われるだけなので、モータの回転の制御が困難で所望の制御を行えない場合がある。これに対して、カム機構の場合には、回転軸の回転の変化だけでなく、カムのプロファイルを変えることができるので、より幅広い制御を行うことが可能である。
【００５４】
例えば、カムのリフト量をＬ、回転角度をθ、カムのリフト量Ｌの微分値をｄＬ／ｄθ、カムの回転角速度をｄθ／ｄｔとすると、カムのリフト量Ｌの微分値ｄＬ／ｄθと、カムの回転角速度ｄθ／ｄｔの積ｄＬ／ｄｔによって、プランジャの速度が決まる。例えば、プランジャ速度を２倍に変化させる場合には、カムの回転角速度ｄθ／ｄｔを２倍にしたり、カムのリフト量Ｌの微分値ｄＬ／ｄθを２倍にする等が考えられる。どの値をいくつに設定するかは、ポンプ構成によって適宜選択する。
【００５５】
図１２に示したカムのプロファイルは、図１に示した２個のプランジャを直列接続した構成に適用した場合の例である。基本的にモータの回転速度は一定に保ち、カムプロファイルの設計によってカムのリフト量，カムの回転速度，カムの回転加速度を制御する。また、カムの加速度プロファイルに上下限値を設け、速度プロファイルが滑らかに変化するように設定するとともに、図中の第一のプランジャが吸入動作を終了してから圧縮動作を開始する位相である予圧縮期間ｔ０については、モータの回転速度を２倍にして、第二のプランジャのカム速度を１／２倍にする。こうする理由は、必要な予圧縮期間は、吐出する圧力や液体の物性値等によって異なるためであり、この期間についてはモータの回転制御によって臨機応変に対応する。この予圧縮期間ｔ０が長い場合、例えば高圧まで圧縮する場合において、予圧縮終了までモータの回転速度を２倍速にすることにより、第二のプランジャのカム速度が１／２でも、第二のプランジャを等速で駆動し、一定流束の液体を圧送できる。この間に、第一のプランジャの予圧縮も倍速で進めれば、第一のプランジャの予圧縮期間を短縮できる。すなわち、第一のプランジャと第二のプランジャとは独立して動作制御させる必要が無いため、モータは１つで構成することが可能となる。
【００５６】
以上述べたように、本発明の実施例によれば、２つのプランジャポンプを直列または並列に配置し、交互に吸入，圧縮を行い、絶え間なく一定流束の液送を行う液体クロマトグラフ用ポンプにおいて、少なくとも１つのプランジャポンプの加圧室は常に高圧状態にあり、ポンプコントローラは、第一のプランジャと第二のプランジャのリフト量を調整して流量制御する構成を採用する。この構成により、吐出流量を変えても脈動を低減することができ、分離カラムへ脈動を伝えなくすることができるので、液体クロマトグラフの分析精度の低下を防ぐことができる。
【符号の説明】
【００５７】
１，８０１  液体クロマトグラフ用ポンプ
２  第一のプランジャ
３  第二のプランジャ
４，５，１０７，１０８  逆止弁
１０  第一の吸入通路
１１  第二の吐出通路
１２  第一の加圧室
１３  第二の加圧室
５０，５０１，５０２  ポンプコントローラ
５１，５１１，５１２  溶媒液容器
５２  排出弁
５３  インジェクタ
５４  分離カラム
５５  検出器
５６  回収容器
５７  ミキサー
６０，１０５，６０１，６０２，６０３，６０４  圧力センサ
６１，６２  シール
７０  上位コントローラ
７１，７２  軸受
１０１  第一のプランジャポンプ
１０２  第二のプランジャポンプ
１０３  第一の吐出通路
１０４  第二の吸入通路
１０６  モータドライバ
１０９，１１０  脈動吸収ダンパー
２１１，２１２  電動モータ
２２１，２２２  減速装置
２３１，２３２  直動装置
１００１  第一の液体クロマトグラフ用ポンプ
１００２  第二の液体クロマトグラフ用ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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