(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入口ポート及び出口ポートを有する第１のポンプ室内で往復運動する第１のピストンと、入口ポート及び出口ポートを有する第２のポンプ室内で往復運動する第２のピストンと、上記第１のポンプ室の出口ポートと上記第２のポンプ室の入口ポートとを接続する接続管と、上記第１のポンプの入口ポートに接続され、流体の上記第１のポンプ室への流入の許可並びに上記第１のポンプ室への流入及び流出の阻止を行なう入口側バルブと、上記接続間管に接続され、流体の上記第１のポンプ室から上記接続管を介して第２のポンプ室８への流入の許可並びに流体の上記第２のポンプ室への流入及び第１のポンプ室からの流出の阻止を行なう出口側バルブと、上記第１のピストン及び第２のピストンを往復運動させるピストン駆動手段とを有するポンプ装置において、
上記第１のピストンの往復運動位置を検出する位置検出センサと、
上記第２のポンプ室の出口ポートに配置され、この出口ポートから流出される流体の流量を検出する第１の流量センサと、
上記接続管に接続され、この接続管内に流れる流体の流量を検出する第２の流量センサと、
上記位置検出センサにより検出された上記第１のピストンの往復運動位置と、上記第１の流量センサにより検出された上記第２のポンプ室の出口ポートから流出される流体の流量と、上記第２の流量センサにより検出された上記接続菅内に流れる流体の流量とに基づいて、上記ピストン駆動手段による第１及び第２のピストンの駆動速度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするポンプ装置。
【請求項２】
請求項１記載のポンプ装置において、
上記制御手段は、上記駆動手段が、第１のポンプ室に入口ポートから流体が流入し、第２のポンプ室の出口ポートから流体が流出している第１の領域であることを上記位置検出センサにより検出し、この第１の領域では、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を第１の駆動速度で動作させ、
上記第１のポンプ室が流体の吸入モードから吐出モードになる第２の領域の開始時点を上記位置検出センサにより検出し、上記第２の領域であり、かつ、上記第１のポンプ室から流体の流出がなく、上記第２のポンプ室からのみ流体が流出されていることを上記第１の流量センサにより検出された流体の流量から検知したとき、上記駆動手段を制御して、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度の２倍の速度である第２の駆動速度で動作させ、
上記出口側バルブが閉から開の状態となったことを上記第２の流量センサからの検出流量から検知したとき、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度に戻すことを特徴とするポンプ装置。
【請求項３】
請求項１記載のポンプ装置において、上記第２のポンプ室の出口ポートに配置され、この出口ポートからの流体の吐出圧力を検出する圧力センサを備え、この圧力センサにより検出された圧力値が上記制御手段に供給されることを特徴とするポンプ装置。
【請求項４】
入口ポート及び出口ポートを有する第１のポンプ室内で往復運動する第１のピストンと、入口ポート及び出口ポートを有する第２のポンプ室内で往復運動する第２のピストンと、上記第１のポンプ室の出口ポートと上記第２のポンプ室の入口ポートとを接続する接続管と、上記第１のポンプの入口ポートに接続され、流体の上記第１のポンプ室への流入の許可並びに上記第１のポンプ室への流入及び流出の阻止を行なう入口側バルブと、上記接続間管に接続され、流体の上記第１のポンプ室から上記接続管を介して第２のポンプ室８への流入の許可並びに流体の上記第２のポンプ室への流入及び第１のポンプ室からの流出の阻止を行なう出口側バルブと、上記第１のピストン及び第２のピストンを往復運動させるピストン駆動手段とを有するポンプ装置において、
上記第１のピストンの往復運動位置を検出する位置検出センサと、
上記第２のポンプ室の出口ポートに配置され、この出口ポートから流出される流体の流量を検出する流量センサと、
上記出口側バルブの開閉状態を検出する開閉検知センサと、
上記位置検出センサにより検出された上記第１のピストンの往復運動位置と、上記流量センサにより検出された上記第２のポンプ室の出口ポートから流出される流体の流量と、上記開閉検知センサにより検出された上記出口側バルブの開閉状態とに基づいて、上記ピストン駆動手段による第１及び第２のピストンの駆動速度を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とするポンプ装置。
【請求項５】
請求項４記載のポンプ装置において、
上記制御手段は、上記駆動手段が、第１のポンプ室に入口ポートから流体が流入し、第２のポンプ室の出口ポートから流体が流出している第１の領域であることを上記位置検出センサにより検出し、この第１の領域では、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を第１の駆動速度で動作させ、
上記第１のポンプ室が流体の吸入モードから吐出モードになる第２の領域の開始時点を上記位置検出センサにより検出し、上記第２の領域であり、かつ、上記第１のポンプ室から流体の流出がなく、上記第２のポンプ室からのみ流体が流出されていることを上記流量センサにより検出された流体の流量から検知したとき、上記駆動手段を制御して、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度の２倍の速度である第２の駆動速度で動作させ、
上記出口側バルブが閉から開の状態となったことを上記開閉検知センサが検知したとき、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度に戻すことを特徴とするポンプ装置。
【請求項６】
請求項４記載のポンプ装置において、上記第２のポンプ室の出口ポートに配置され、この出口ポートからの流体の吐出圧力を検出する圧力センサを備え、この圧力センサにより検出された圧力値が上記制御手段に供給されることを特徴とするポンプ装置。
【請求項７】
請求項４記載のポンプ装置において、上記出口側バルブと上記開閉検知センサとは一体的に配置されることを特徴とするポンプ装置。
【請求項８】
入口ポート及び出口ポートを有する第１のポンプ室内で往復運動する第１のピストンと、入口ポート及び出口ポートを有する第２のポンプ室内で往復運動する第２のピストンと、上記第１のポンプ室の出口ポートと上記第２のポンプ室の入口ポートとを接続する接続管と、上記第１のポンプの入口ポートに接続され、流体の上記第１のポンプ室への流入の許可並びに上記第１のポンプ室への流入及び流出の阻止を行なう入口側バルブと、上記接続間管に接続され、流体の上記第１のポンプ室から上記接続管を介して第２のポンプ室８への流入の許可並びに流体の上記第２のポンプ室への流入及び第１のポンプ室からの流出の阻止を行なう出口側バルブと、上記第１のピストン及び第２のピストンを往復運動させるピストン駆動手段とを有するポンプ装置の駆動方法において、
第１のポンプ室に入口ポートから流体が流入し、第２のポンプ室の出口ポートから流体が流出している第１の領域であることを検出し、
この第１の領域では、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を第１の駆動速度で動作させ、
上記第１のポンプ室が流体の吸入モードから吐出モードになる第２の領域の開始時点を検出し、
上記第２の領域であり、かつ、上記第１のポンプ室から流体の流出がなく、上記第２のポンプ室からのみ流体が流出されていることを、上記第２のポンプ室の出口ポートから流出される流体の流量から検知したとき、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度の２倍の速度である第２の駆動速度で動作させ、
上記接続管に流れる流量を検知し、検知した上記接続管に流れる流量から上記出口側バルブが閉から開の状態となったことを検知したとき、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度に戻すことを特徴とするポンプ装置の駆動方法。
【請求項９】
入口ポート及び出口ポートを有する第１のポンプ室内で往復運動する第１のピストンと、入口ポート及び出口ポートを有する第２のポンプ室内で往復運動する第２のピストンと、上記第１のポンプ室の出口ポートと上記第２のポンプ室の入口ポートとを接続する接続管と、上記第１のポンプの入口ポートに接続され、流体の上記第１のポンプ室への流入の許可並びに上記第１のポンプ室への流入及び流出の阻止を行なう入口側バルブと、上記接続間管に接続され、流体の上記第１のポンプ室から上記接続管を介して第２のポンプ室８への流入の許可並びに流体の上記第２のポンプ室への流入及び第１のポンプ室からの流出の阻止を行なう出口側バルブと、上記第１のピストン及び第２のピストンを往復運動させるピストン駆動手段とを有するポンプ装置の駆動方法において、
第１のポンプ室に入口ポートから流体が流入し、第２のポンプ室の出口ポートから流体が流出している第１の領域であることを検出し、
この第１の領域では、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を第１の駆動速度で動作させ、
上記第１のポンプ室が流体の吸入モードから吐出モードになる第２の領域の開始時点を検出し、
上記第２の領域であり、かつ、上記第１のポンプ室から流体の流出がなく、上記第２のポンプ室からのみ流体が流出されていることを、上記第２のポンプ室の出口ポートから流出される流体の流量から検知したとき、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度の２倍の速度である第２の駆動速度で動作させ、
上記出口側バルブが閉から開の状態となったことを検知したとき、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度に戻すことを特徴とするポンプ装置の駆動方法。
【請求項１０】
移動相を送液するポンプ手段と、このポンプ手段により送液された移動相に被測定対象物を導入する導入手段と、この導入手段により導入された被測定対象物から被測定成分を分離する分離カラムと、この分離カラムにより分離された被測定成分を検知する検知手段とを有する液体クロマトグラフ装置において、
上記ポンプ手段は、
入口ポート及び出口ポートを有する第１のポンプ室内で往復運動する第１のピストンと、入口ポート及び出口ポートを有する第２のポンプ室内で往復運動する第２のピストンと、上記第１のポンプ室の出口ポートと上記第２のポンプ室の入口ポートとを接続する接続管と、上記第１のポンプの入口ポートに接続され、流体の上記第１のポンプ室への流入の許可並びに上記第１のポンプ室への流入及び流出の阻止を行なう入口側バルブと、上記接続間管に接続され、流体の上記第１のポンプ室から上記接続管を介して第２のポンプ室８への流入の許可並びに流体の上記第２のポンプ室への流入及び第１のポンプ室からの流出の阻止を行なう出口側バルブと、上記第１のピストン及び第２のピストンを往復運動させるピストン駆動手段と、上記第１のピストンの往復運動位置を検出する位置検出センサと、上記第２のポンプ室の出口ポートに配置され、この出口ポートから流出される流体の流量を検出する第１の流量センサと、上記接続管に接続され、この接続管内に流れる流体の流量を検出する第２の流量センサと、上記位置検出センサにより検出された上記第１のピストンの往復運動位置と、上記第１の流量センサにより検出された上記第２のポンプ室の出口ポートから流出される流体の流量と、上記第２の流量センサにより検出された上記接続菅内に流れる流体の流量とに基づいて、上記ピストン駆動手段による第１及び第２のピストンの駆動速度を制御する制御手段とを備え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１０記載の液体クロマトグラフ装置において、
上記制御手段は、上記駆動手段が、第１のポンプ室に入口ポートから流体が流入し、第２のポンプ室の出口ポートから流体が流出している第１の領域であることを上記位置検出センサにより検出し、この第１の領域では、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を第１の駆動速度で動作させ、
上記第１のポンプ室が流体の吸入モードから吐出モードになる第２の領域の開始時点を上記位置検出センサにより検出し、上記第２の領域であり、かつ、上記第１のポンプ室から流体の流出がなく、上記第２のポンプ室からのみ流体が流出されていることを上記第１の流量センサにより検出された流体の流量から検知したとき、上記駆動手段を制御して、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度の２倍の速度である第２の駆動速度で動作させ、
上記出口側バルブが閉から開の状態となったことを上記第２の流量センサからの検出流量から検知したとき、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度に戻すことを特徴とする液体クロマトグラフ装置。
【請求項１２】
移動相を送液するポンプ手段と、このポンプ手段により送液された移動相に被測定対象物を導入する導入手段と、この導入手段により導入された被測定対象物から被測定成分を分離する分離カラムと、この分離カラムにより分離された被測定成分を検知する検知手段とを有する液体クロマトグラフ装置において、
上記ポンプ手段は、
入口ポート及び出口ポートを有する第１のポンプ室内で往復運動する第１のピストンと、入口ポート及び出口ポートを有する第２のポンプ室内で往復運動する第２のピストンと、上記第１のポンプ室の出口ポートと上記第２のポンプ室の入口ポートとを接続する接続管と、上記第１のポンプの入口ポートに接続され、流体の上記第１のポンプ室への流入の許可並びに上記第１のポンプ室への流入及び流出の阻止を行なう入口側バルブと、上記接続間管に接続され、流体の上記第１のポンプ室から上記接続管を介して第２のポンプ室８への流入の許可並びに流体の上記第２のポンプ室への流入及び第１のポンプ室からの流出の阻止を行なう出口側バルブと、上記第１のピストン及び第２のピストンを往復運動させるピストン駆動手段と、上記第１のピストンの往復運動位置を検出する位置検出センサと、上記第２のポンプ室の出口ポートに配置され、この出口ポートから流出される流体の流量を検出する流量センサと、上記出口側バルブの開閉状態を検出する開閉検知センサと、上記位置検出センサにより検出された上記第１のピストンの往復運動位置と、上記流量センサにより検出された上記第２のポンプ室の出口ポートから流出される流体の流量と、上記開閉検知センサにより検出された上記出口側バルブの開閉状態とに基づいて、上記ピストン駆動手段による第１及び第２のピストンの駆動速度を制御する制御手段とを備え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１２記載の液体クロマトグラフ装置において、
上記制御手段は、上記駆動手段が、第１のポンプ室に入口ポートから流体が流入し、第２のポンプ室の出口ポートから流体が流出している第１の領域であることを上記位置検出センサにより検出し、この第１の領域では、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を第１の駆動速度で動作させ、
上記第１のポンプ室が流体の吸入モードから吐出モードになる第２の領域の開始時点を上記位置検出センサにより検出し、上記第２の領域であり、かつ、上記第１のポンプ室から流体の流出がなく、上記第２のポンプ室からのみ流体が流出されていることを上記流量センサにより検出された流体の流量から検知したとき、上記駆動手段を制御して、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度の２倍の速度である第２の駆動速度で動作させ、
上記出口側バルブが閉から開の状態となったことを上記開閉検知センサが検知したとき、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度に戻す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、溶媒を供給するポンプに関し、特に広流量範囲、広圧力範囲で、正確で流量変動の無い液体クロマトグラフ装置用のポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
液体クロマトグラフ分析においては、特定の粒径と組成を有する充填材粒子を充填した分離カラムに分析対象となる試料が導入され、単一又は複数溶媒の混合物がポンプにより分離カラムに供給される。分離カラムに導入された試料は、化学的性質および組成によって成分毎に溶離され、検出器によって検出される。
【０００３】
液体クロマトグラフ用の溶媒供給ポンプは、高圧で広範囲の流量において、溶媒を正確な流量で、且つ流量変動の少ない安定な様態で連続的に送出できることが望ましい。さらに、溶媒供給ポンプは複数の溶媒を混合でき、溶媒の混合比率を時間とともに変化させるグラジェント操作が可能であることが望ましく、その混合溶媒の組成も正確に且つ精密に制御することが求められる。
【０００４】
分離カラムを通過する溶媒流量や混合溶媒の組成が変動すると、検出されるクロマトグラム上での各成分ピークの保持時間やピーク高さ・面積が変動する。ピークの保持時間は液体クロマトグラフにより分離される成分固有の値で基本的な定性情報であり、ピーク高さ・面積は液体クロマトグラフによって分離される成分の濃度を表すため、流量や混合溶媒組成の変動は、ピーク同定の不確定さを引き起こし、定量測定の正確さや再現性を損なう結果となる。
【０００５】
液体クロマトグラフに好適な連続送液用ポンプとして、相互接続された２つのポンプヘッド内に往復ピストンを夫々備え、これらのピストンを所定の位相差とストロークを持つように設計された共通のカムシャフトを、１つのモータによって駆動するデュアルピストンポンプが広く知られている。
【０００６】
特許文献１に記載された技術によれば、カムシャフトの回転サイクルにおけるあらゆる時点の液体流出量が同じになるように設計されたカムを使用し、ポンプ内に設置した圧力センサで圧力変動を監視して、第１ピストンの吐出開始時における圧力低下の際にはモータ回転速度を一定倍増加させて溶媒を圧縮し、実時間制御による低脈流化を図っている。
【０００７】
特許文献１に記載の圧力センサによる制御手法は、流量と圧力とは完全に相関があるという前提で成立する手法である。圧力計測には種々の原理のものがあるが、液体クロマトグラフに要求される長時間、高圧下で使用しても高い堅牢性・信頼性・安定性を有すること、有機溶媒・酸・アルカリ等の多様な溶媒に対する耐食性が優れていること、装置に内蔵可能な小型であること、検出部の溶媒接触容量が小さいこと、応答性に優れていること等の制限がある。このため、代表的な圧力センサとして、耐食性に優れたステンレス部材等からなるダイアフラムを通して圧力を変位に変換し、ブリッジ回路により電気量として取り出す半導体歪ゲージ式圧力変換器が多く使用されている。
【０００８】
しかし、上記圧力センサにおいても、低圧力下では数百ミリ秒の応答時間を要するため、高速運転が要求されるピストンの実時間制御には不十分といえる。そのため、特許文献２、特許文献３には、前周期の圧力プロファイルを参照し、圧力変動が小さくなる方向にモータの回転数や位相を周期毎に順次変化させる学習機能を有するポンプが開示されている。しかし、このようなポンプの場合、流量の変更や気泡の混入といった系の変化に弱いという欠点がある。
【０００９】
上記従来技術は全て、圧力変動の一定制御により一定流量を得ようとする試みである。流体学では、十分に発達した真っ直ぐな円管内の流れの性質として、流量と圧力差が比例することを示すハーゲン−ポアズイユの式が知られている。
【００１０】
しかし、実際の液体クロマトグラフの流路は大小様々な形状の管、継ぎ手、ブロック等から成る構成に流路内の攪拌部材やピストンの動きが流路内で加わり、乱流や渦が随所で発生し、流量と圧力の相関の正確な計算は非常に困難である。
【００１１】
特に、流量が増加するとハーゲン−ポアズイユの式自体が成立せず、流量と圧力差の比例関係が成立しない乱流となり、圧力と流量の相関を求めるのは事実上不可能である。仮に、溶媒の組成・温度が一定であっても、微小な詰まり等により流路内の圧力差は逐次変化し、検出圧力も時間と共に変動するので、流路内に設けられている継ぎ手やシール部から微量な液漏れを完全に零にはできない。このため、検出圧力の絶対値から流量の絶対値を論ずることは甚だ危険である。
【００１２】
上述したデュアルピストンポンプユニットを複数組接続し、複数溶媒の混合比率を時間とともに変化させるグラジェント操作可能なポンプの場合は、合成される溶媒組成の正確さと均一性が液体クロマトグラフの性能を決定づける主要因となる。このため、各ポンプユニットは広い流量範囲で、より厳密な流量正確さと流量精密さが要求される。
【００１３】
即ち、このような高圧グラジェント操作を行うポンプにおいては、各ポンプユニットの微小な流量誤差や流量変動によって、合成される溶媒組成の正確さと均一性を安定して保持したまま送液を行うことが、困難であることが知られている。
【００１４】
例えば、特許文献４、特許文献５には、設定流量や試行によって決定されるパラメータに基づいてポンプ間の圧力干渉による安定送液の乱れの発生時間帯を予測し、その時間帯では干渉の無い安定時のパターンで送液するグラジェントコントローラが開示されている。
【００１５】
【特許文献１】特開昭５５−１２８６７８号公報
【特許文献２】特許第２６０４３６２号公報
【特許文献３】特許第２５６４５８８号公報
【特許文献４】特開平８−１５２４５号公報
【特許文献５】特開平１１−５０９６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、上述した送液の乱れ（圧力変動）が発生する時期は、各々のポンプの流量が刻々と変化する場合には、各ポンプで異なっており、圧力干渉が発生する時間帯を正しく予測することは困難である。
【００１７】
そこで、第１ポンプ室内と第２ポンプ室以降の流路内に圧力センサを設け、両圧力センサの圧力差が一定値になるようにピストンを制御して溶媒を圧縮し、第１ポンプ室内と第２ポンプ室が連結される際の圧力低下を補正して、安定した溶媒混合比の送液が可能なポンプが考えられる。
【００１８】
しかしながら、上述したように、圧力センサによる制御は低圧力域では圧力センサの応答性の問題が、高流量域では流量との相関が不完全であることによる制御不可能な誤差を生じ、結果として溶媒混合比の正確さや精密さを欠くことになる。
【００１９】
また、これらの方法の致命的な欠点は、両圧力センサの零点および直線性特性が完全に一致しないことによる制御誤差が避けられないため、広い流量範囲で等しく圧力変動（流量変動）を無くすことは困難である。
【００２０】
本発明の目的は、ポンプの流量を正確に検出して、流量を実時間制御し、脈動の発生による流量誤差を抑制可能なポンプ装置に関する。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明のポンプ装置は、第１のポンプ室内で往復運動する第１のピストンと、第２のポンプ室内で往復運動する第２のピストンと、第１のポンプ室の出口ポートと第２のポンプ室の入口ポートとを接続する接続管と、第１のポンプの入口ポートに接続され、流体の第１のポンプ室への流入、流出を切り換える入口側バルブと、上記接続間管に接続され、流体の第１のポンプ室から接続管を介して第２のポンプ室８への流入、流出を切り換える出口側バルブと、第１のピストン及び第２のピストンを往復運動させるピストン駆動手段とを有する。
【００２２】
さらに、本発明のポンプ装置は、第１のピストンの往復運動位置を検出する位置検出センサと、第２のポンプ室の出口ポートから流出される流体の流量を検出する流量センサと、位置検出センサにより検出された第１のピストンの往復運動位置と、流量センサにより検出された上記第２のポンプ室の出口ポートからの流体流量とに基づいて、ピストン駆動手段による第１及び第２のピストンの駆動速度を制御する制御手段とを備える。
【００２３】
また、本発明のポンプ装置の駆動方法は、第１のポンプ室に入口ポートから流体が流入し、第２のポンプ室の出口ポートから流体が流出している第１の領域であることを検出し、この第１の領域では、第１ピストン及び第２のピストンの動作を第１の駆動速度で動作させ、第１のポンプ室が流体の吸入モードから吐出モードになる第２の領域の開始時点を検出し、第２の領域であり、かつ、第１のポンプ室から流体の流出がなく、上記第２のポンプ室からのみ流体が流出されていることを、第２のポンプ室の出口ポートから流出される流体の流量から検知したとき、第１ピストン及び第２のピストンの動作を第１の駆動速度の２倍の速度である第２の駆動速度で動作させ、第２のポンプ室からの流体の流出量が上昇したことを検出したとき、第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度に戻す。
【００２４】
また、本発明のポンプ装置及びポンプ装置の駆動方法において、制御手段は、第１のポンプ室に入口ポートから流体が流入し、第２のポンプ室の出口ポートから流体が流出している第１の領域であることを検出し、この第１の領域では、上記第１ピストン及び第２のピストンの動作を第１の駆動速度で動作させ、第１のポンプ室が流体の吸入モードから吐出モードになる第２の領域の開始時点を検出し、第２の領域であり、かつ、第１のポンプ室から流体の流出がなく、第２のポンプ室からのみ流体が流出されていることを流体の流量から検知したとき、第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度の２倍の速度である第２の駆動速度で動作させ、第２のポンプ室からの流体の流出量が上昇したことを流量センサが検出したとき、第１ピストン及び第２のピストンの動作を第１の駆動速度に戻す。
【００２５】
また、本発明のポンプ装置及びポンプ装置の駆動方法は、上記接続管に接続され、この接続管内に流れる流体の流量を検出する第２の流量センサを備え、出口側バルブが閉から開の状態となったことを第２の流量センサからの検出流量から検知したとき、第１ピストン及び第２のピストンの動作を第１の駆動速度に戻す。
【００２６】
また、本発明のポンプ装置及びポンプ装置の駆動方法は、出口側バルブの開閉状態を検出する開閉検知センサを備え、出口側バルブが閉から開の状態となったことを開閉検知センサが検知したとき、第１ピストン及び第２のピストンの動作を上記第１の駆動速度に戻す。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、ポンプの流量を正確に検出して、流量を実時間制御し、脈動の発生による流量誤差を抑制可能なポンプ装置及びポンプ装置の駆動方法を実現することができる。。
【００２８】
本発明によれば、溶媒を正確な流量で、且つ流量変動（脈流）の少ない安定な様態で連続的に送出できる。さらに、溶媒の混合比率を時間とともに変化させるグラジェント操作においても、その混合溶媒の組成も正確に且つ精密に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、上記及びその他の本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施形態である、流量センサを用いたポンプユニット（ポンプ装置）の概略構成図である。
【００３１】
図１において、ポンプユニットは、第１のポンプ室３及び第２のポンプ室４を備え、各ポンプ室３、４内には、それぞれ、第１のピストン１及び第２のピストン２が配置される。そして、第１のピストン１及び第２のピストン２は、カム１１の回転によって往復運動し、それに合わせて逆流防止用の入口側バルブ５及び出口側バルブ６が開閉する。これら、ピストン１、２、バルブ５、６の動作によって、移動相９が各ポンプ室３から４内を通って、第２のポンプ室４の出口側へ送液される。
【００３２】
第２のポンプ室４の出口側には流量センサ１０が設けられ、検出された流量は逐次、制御装置１５に導入される。カム１１は、その軸の一端に配置されたモータ１２によって回転され、このモータ１２はコンピュータを含む制御装置１５によって制御される。
【００３３】
カム１１の軸の他端には検知板１３および位置検出センサ１４が設けられ、位置検出センサ１４により検出されたカム軸の角度位置が制御装置１５に導入される。本発明の第１の実施形態では、逆流防止用の入口側バルブ５及び出口側バルブ６として、受動的なチェックバルブを使用しているが、能動的なソレノイドバルブや回転式すり合わせバルブを用いることも可能である。また、第２のポンプ室４の出口ポート１９側に圧力センサを設置して（図示せず）、流量と同時に圧力を検出することも可能である。
【００３４】
図２は、本発明の第１の実施形態であるポンプユニットを用いた流量制御サイクルの一例の説明図である。
【００３５】
図２において、ポンプユニットの１サイクルは、カム１１の形状に対応してＲ１〜Ｒ３の３つの領域に分けられている。領域Ｒ１では、第１ポンプ室３は吸入モ−ド（吸入量は単位時間当り３Ｑ）、第２ポンプ室４は吐出モ−ド（吐出量は単位時間当りＱ）である。
【００３６】
また、領域Ｒ２では、第１ポンプ室３及び第２ポンプ室４共に吐出モ−ド（吐出量はそれぞれ単位時間当りＱ／２）である。そして、領域Ｒ３では、第１ポンプ室３は吐出モ−ド（吐出量は単位時間当り（３Ｑ／２）＋Ｑ）、第２ポンプ室４は吸入モ−ド（吸入量は単位時間当り３Ｑ／２）で作動されるようにモ−タ１２が一定回転速度（単位時間当りの回転数Ｎ）で回転されるものとする。
【００３７】
上述のように作動すると、領域Ｒ１では入口側バルブ５は開くと共に出口側バルブ６は閉じ、領域Ｒ２及びＲ３では入口側バルブ５は閉じ、出口側バルブ６は開く。モータ１２の回転数Ｎは、設定流量Ｑ’とポンプユニットの１サイクル当たりの吐出量の設計値によって算出された値である。この回転数Ｎは、好ましくは、運転開始後の安定送液時に流量センサ１０によって検出される流量qと設定流量Ｑ’との偏差に基づいて補正される値である。
【００３８】
第２ポンプ室４の出力側が高圧力（例えば、２０ＭＰａ）である場合は、第１ポンプ室３が吸入モ−ドから吐出モ−ドに切り替わったとき、始めのうちは（すなわち領域Ｒ２の始めの領域ｒでは）出口側バルブ６は開かない。これは上記高圧力が移動相９を媒体として出口側バルブ６に印加されているためである。また、領域ｒは用いられる移動相の圧縮率によって変化する。
【００３９】
したがって、領域ｒの間は、第１ポンプ室３による吐出がなく、第２ポンプ室４による吐出のみとなるから、合計吐出量は半分となり、領域Ｒ１から、ｒ、Ｒ２に至る期間で脈流が生じてしまう。
【００４０】
この問題を解決するために、通常は次のような手段がとられる。
【００４１】
まず、第１ポンプ室３が吸入モ−ドから吐出モ−ドに切り替わる位置を検出する。これは位置検出器１４によって第１のピストン１の下死点位置を検出することによって可能である。また、第１ポンプ室３による吐出がなく、第２ポンプ室４による吐出のみになると、ポンプ室４の出力側の流量が低下するので、この流量低下を流量センサ１０によって検出する。
【００４２】
そこで、位置検出信号と流量低下検出信号との両信号が検出されるときに限って（ＡＮＤ条件）モ−タ１２の回転速度を倍にする。すなわち、単位時間当りの回転数を２Ｎにする。これによって、第１ポンプ室３によって吐出されなかった分を補うように第２ポンプ室４によって倍の流量が送液される。
【００４３】
次に、出口側バルブ６が開くと、第２ポンプ室４の出口ポート１９からの流量が高くなるので、この流量上昇を流量センサ１０によって検出する。吐出は第１ポンプ室３によっても行われるから、検出された流量上昇信号に基づいて、モ−タ１２の回転を倍速回転からその半分の速度での回転、すなわち、もとの回転数Ｎに戻す。
【００４４】
このように、領域Ｒ１及びＲ３では回転数優先制御が行われるが、領域Ｒ２では流量に応じて回転数の切り替えが行われると、第１ポンプ室３が吸入モ−ドから吐出モ−ドに変わったときの移動相９の圧縮による流量変化が防止され、その結果として、脈流のない一定流量（Ｑ）の送液が可能となる。
【００４５】
つまり、ポンプユニットに内蔵した流量センサ１０を用いて、流量を実時間制御することにより、従来の圧力センサによる制御に比べて、低圧力域においては制御の応答性が向上し、また高流量域では流れの状態変化から生じる制御誤差の低減が図れ、流量変動（脈流）を低減することができる。
【００４６】
さらに、実測流量に基づいてモータ１２の回転数を制御することで、継ぎ手やシール部から微量な液漏れ（リーク）が生じたり、流路内の状態が経時変化しても、正確な流量を得ることができる。
【００４７】
これにより、ポンプ装置間の機差を小さくすることができる。なお、図１において圧力センサも同時に備えることにより、従来システムとのデータの相関や、流量と圧力の相関も確認可能である。圧力センサにより管内につまりが発生したことを検出することもできる。
【００４８】
また、流量制御サイクルの他の例として、１サイクルを上述した３つの領域Ｒ１〜Ｒ３に分けることなく、流量センサ１０からの検出流量が常に一定になるように、カム１１の全区間に渡ってモータ１２の回転数Ｎを制御しても良い。
【００４９】
図３は、本発明の第２の実施形態である、流量センサを用いた単一のポンプユニット（ポンプ装置）の概略構成図である。
【００５０】
本発明の第２の実施形態と図１に示した第１の実施形態との構成上の相違は、第１のポンプ室の出口ポート１７と出口側バルブ６との間に第２の流量センサ２０を配置したことである。
【００５１】
図２の流量制御サイクルにおいて、最も流量変動（脈流）が生じやすいポイントは、モータ１２の倍速運転領域ｒの終了点である。即ち、出口側バルブ６が開くタイミングを正確に把握して、モータ１２の倍速運転を、元の基準回転数運転Ｎに瞬時に戻すことが、流量変動を低減する上で最も重要な鍵となる。
【００５２】
図３に示した本発明の第２の実施形態の構成により、流量センサ２０よって出口側バルブ６の開く瞬間をより正確に検出することが可能となる。このため、図１の構成に比べ、図３に示した第２の実施形態は、更なる流量変動の改善が図れる。特に、第２の実施形態は、後述する高圧グラジェントポンプ装置の実施形態において、よりその重要性が発揮される。
【００５３】
また、安価なポンプ装置を実現するため、図３の構成において流量センサ１０を排除して、設定流量Ｑ’と、ポンプユニットの１サイクル当たりの吐出量の設計値とによって算出されたモータ回転数で運転を行っても良い。この場合、流量の正確さに対する信頼度は低下するが、流量変動の無い安定した送液が可能となる。
【００５４】
図４は、本発明の第１又は第２の実施形態であるポンプユニットを２つ使用して構成される高圧グラジェントポンプ装置、および高圧グラジェントポンプ装置を含む液体クロマトグラフの概略構成図である。
【００５５】
図４において、移動相２３、２４は、ポンプユニット２１、２２によって流量を時間とともに変えながら送液され、Ｔ字接続管３１にて合流される。合流された移動相２３、２４は、ミキサー２５で互いに攪拌された後、オートサンプラ２６内のインジェクターにより、分析すべきサンプルが移動相２３、２４中に添加される。
【００５６】
オートサンプラ２６によりサンプルが添加された移動相２３、２４は、分離カラム２７に導入される。多成分の分離を再現良く行うために、分離カラム２７は、一定温度に保たれたカラムオーブン２８内に設置される。分離カラム２７で分離された各成分は、検出器２９により検知され、そのデータはデータ処理装置３０にて処理、保存される。また、この実施形態においては、データ処理装置３０は、各部２１、２２、２５〜２９の動作制御も行っている。
【００５７】
上述した特許文献５に記載されているように、高圧グラジェント液体クロマトグラフにおいては、各々のポンプユニット２１の倍速制御領域が重なった場合、ポンプ相互間の圧力干渉により溶離液の混合比が変化するという現象が発生する。
【００５８】
即ち、ポンプユニット２１、２２のうちの一方が倍速回転中に、他方のポンプユニットの倍速回転が終了すると、終了したポンプユニットの出力側圧力が上昇するので、倍速回転中のポンプユニットも、倍速回転が終了したポンプユニットの圧力上昇に応動して、その時点で停止してしまう。
【００５９】
このポンプユニットの回転停止は、本来の停止時点よりも早めに行われてしまう停止であるため、その停止時点から、入力側のバルブが開くことによりポンプ出力側の圧力が上昇する。そして、両ポンプユニットによる吐出が行われ始める時点までの間、出力流量が半分になってしまい、これにより混合比が変わるという問題が生じる。
【００６０】
この問題を解決するためには、第１ポンプ室内及び第２ポンプ室以降の流路内にそれぞれ圧力センサを設け、両圧力センサの圧力差が一定値になるようにピストンを制御して溶媒を圧縮し、第１ポンプ室内と第２ポンプ室とが連結される際の圧力低下を補正して、安定した溶媒混合比の送液を行うことが考えられる。
【００６１】
図５は、本発明とは異なり、上述したように、２つの圧力センサを用いて、第１ポンプ室内と第２ポンプ室とが連結される際の圧力低下を補正するように構成した高圧グラジェント液体クロマトグラフにおいて、検出器２９にＵＶ吸光度検出器を使用して測定した結果を示す図である。
【００６２】
図５に示す結果は、移動相２３を水、移動相２４を２０ｐｐｍカフェイン水溶液とし、ポンプユニット２１、２２によって、移動相２３、２４の混合比を９５：５とした合成流量２００μｌ／ｍｉｎで送液し、測定波長が２７３ｎｍにおける吸光度を検出したクロマトグラムのベースラインである。
【００６３】
ポンプユニット２１、２２の１サイクルあたりの吐出量は２５μlであり、混合比５％（流量１０μｌ／ｍｉｎに相当）側のポンプユニットの流量制御サイクル２.５ｍｉｎに同期した周期リップルが観測された。このような周期リップルはクロマトグラムの成分ピークの時間幅と重なるため、液体クロマトグラフとしての感度を著しく低下させる。
【００６４】
一方のポンプユニットの送液を停止し、もう一方のポンプユニットを流量１０μｌ／ｍｉｎで送液した場合の流量を、流量センサで測定した結果を図６に示す。
【００６５】
この流量センサは、本発明の実施形態に使用される流量センサと同等の構成の流量センサであり、マスフローセンサーである。このマスフローセンサは、流体が流れる管の外側に発熱エレメントと、この発熱エレメントの上流側及び下流側に温度センサが配置されている。そして、管内に流れる流体の流量により、上下流側に配置された温度センサの検知温度に差が生じ、この差に基づいて流量を検出する。
【００６６】
つまり、上記液体マスフローセンサーは、熱式質量流量計の原理を採用しており、小型、軽量、高耐圧、低デッドボリューム、高速応答、液体と非接触で測定可能などの特長を有し、液体クロマトグラフ装置に内蔵して使用するのに好適である。
【００６７】
図６に示すように、流量制御サイクル２.５ｍｉｎに同期したパルス状の微量な変動が観測された。この流量変動の発生時期は上述した倍速制御の終了点に一致する。
【００６８】
このように、本発明と異なり、２つの圧力センサの検出結果を用いた方法は、両圧力センサの特性が完全に一致しないことによる誤差を生じ、微量な流量変動を無くすことは困難である。
【００６９】
図５に示された周期リップルは、この微量な流量変動が検出器に到達するまでの流路内で拡散され吸光度変化として測定されたものであり、ポンプユニットに要求される流量の正確さや精密さが如何に厳格であるかを示す一例である。
【００７０】
以上のように、高圧グラジェント液体クロマトグラフにおいては、２つのポンプユニットのうちの１つのポンプユニットの流量が変動すると、合成された混合溶媒の組成が変動し、クロマトグラム上での各成分ピークの保持時間やピーク高さ・面積が変動する。従って、液体クロマトグラフ装置のピーク同定の不確定さを引き起こし、定量測定の正確さや再現性を悪化させる。
【００７１】
これに対して、本発明の一実施形態について、図３に示したポンプユニットを含む高圧グラジェント液体クロマトグラフを構成し、本発明とは異なる上述の構成と同様な条件のもとで評価を行った。
【００７２】
図７は、本発明の実施形態により得られたクロマトグラムを示す図であり、図８は本発明の実施形態における流量変動の評価結果を示す図である。図３に示した流量センサ２０よって、出口側バルブ６が開く瞬間の時期を正確に検出し、モータ１２の倍速運転を元の基準回転数運転に戻すことが可能となる。このため、図６で観測された流量制御サイクル２に同期したパルス状の微量な変動が、図８では無くなっている。
【００７３】
さらに、図８に示した流量では、流量センサ１０の検知流量が１０μｌ／ｍｉｎになるようにモータ１２の回転数を制御するため、流量正確さも向上している。この結果、図５で観測されたポンプユニットの流量制御サイクルに同期した周期リップルも、図７では完全に無くなっている。
【００７４】
このように、本発明の構成により、溶媒を正確な流量で、且つ流量変動（脈流）の少ない安定な様態で連続的に送出することが可能になり、液体クロマトグラフ装置の高感度化、定性能力の向上、定量結果の信頼性向上を図ることができる。
【００７５】
図９は、本発明の第３の実施形態である、チェックバルブを用いた単一のポンプユニットの概略構成図である。本発明の第３の実施形態と、図１に示した第１の実施形態との構成上の相違は、出口側バルブ６として、磁性体ボール（若しくは磁性体を塗布したボール）を内蔵した絶縁ハウジング（好ましくは、ポリエーテルエーテルケトンやセラミック材質）で構成されたチェックバルブ３２を使用し、このチェックバルブ３２の開閉状態を検出する電磁誘導型センサ３３を配置し、この電磁誘導型センサ３３の出力信号を制御装置１５に供給していることである。
【００７６】
即ち、コイル中の磁界が変化した際に生じる誘導電流を検出することにより、液体に接すること無しに、チェックバルブ３２の開閉（磁性体ボールの上下動）タイミングを、制御装置１５が検出可能な電磁誘導型センサ３３を配置している。
【００７７】
本発明の第３の実施形態においても、電磁誘導型センサ３３よって出口側バルブ３２の開く瞬間をより正確に検出し、倍速運転の終了点を制御することが可能なため、図３に示した第２の実施形態であるポンプユニットと同様の流量変動の改善が図れる。
【００７８】
第１のポンプ室３と第２のポンプ室４との間に圧力差が、生じている場合、ピストン１、２の動きより速く又は遅く出口側バルブが開閉することがあり得る。
【００７９】
そこで、流量センサ１０により検出された流量によるピストン１、２の動作制御に加えて、出口側バルブ３２の開閉動作を検知し、その開閉動作に応じてピストン１、２の動作制御を補正するようにすることにより、精密な制御を行うことができる。
【００８０】
なお、図９に示した本発明の第３の実施形態において、第２のポンプ室４の出口側ポート１９に、流量センサ１０、圧力センサ３４を配置しているが、この圧力センサ３４は、上述したように、従来システムとのデータの相関や、流量と圧力の相関の確認、管内につまりが発生したことを検出するものである。ただし、この圧力センサ３４を省略しても、本発明の効果を得ることができる。
【００８１】
また、図示した例では、チェックバルブ３２と電磁誘導型センサ３３とを別体としたが、チェックバルブ３２と電磁誘導型センサ３３とは一体型であっても良い。
【００８２】
また、電磁誘導型センサ３３からのチェックバルブ３２の開閉動作の検出のみで、ピストン１、２の動作制御を行うことも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１の実施形態である流量センサを用いたポンプ装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である流量センサを用いたポンプ装置の流量制御サイクルの一例を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施形態である流量センサを用いたポンプ装置の概略構成図である。
【図４】本発明のポンプ装置を２つ使用して構成される高圧グラジェントポンプ装置、及び高圧グラジェントポンプ装置を含む液体クロマトグラフの概略構成図である。
【図５】本発明とは異なる構成のポンプ装置を用いた高圧グラジェント液体クロマトグラフにおける測定結果を示す図である。
【図６】本発明とは異なる構成のポンプ装置を用いた高圧グラジェント液体クロマトグラフにおける流量変動を示す図である。
【図７】本発明の実施形態により得られたクロマトグラムを示す図である。
【図８】本発明の実施形態における流量変動の評価結果を示す図である。
【図９】本発明の第３の実施形態である、チェックバルブを用いた単一のポンプユニットの概略構成図である。
【符号の説明】
【００８４】
１                第１のピストン
２                第２のピストン
３                第１のポンプ室
４                第２のポンプ室
５                入口側バルブ
６                出口側バルブ
７、８            シール
９、２３、２４    移動相
１０、２０        流量センサ
１１              カム
１２              モ−タ
１３              検知板
１４              位置検出器
１５              制御装置
１６、１８        入口ポート
１７、１９        出口ポート
２１、２２        ポンプユニット
２５              ミキサー
２６              オートサンプラー
２７              分離カラム
２８              カラムオーブン
２９              検出器
３０              データ処理装置
３１              Ｔ字接続管
３２              チェックバルブ
３３              電磁誘導型センサ
３４              圧力センサ
【図１】
0004709629.tif 000002
【図２】
0004709629.tif 000003
【図３】
0004709629.tif 000004
【図４】
0004709629.tif 000005
【図５】
0004709629.tif 000006
【図６】
0004709629.tif 000007
【図７】
0004709629.tif 000008
【図８】
0004709629.tif 000009
【図９】
0004709629.tif 000010