(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液化二酸化炭素を送液するためのポンプ室、及び前記ポンプ室を通る液化二酸化炭素流路とは別の冷媒流路を備えたポンプヘッドと、
前記冷媒流路を含む冷媒用の循環流路と、
前記循環流路上に配置され前記循環流路内で前記冷媒を循環させる冷媒用ポンプと、
前記循環流路上で前記ポンプヘッドから離れた位置に配置され、前記循環流路内を通る冷媒を冷却するように構成された冷却部と、
を備えた液化二酸化炭素送液ポンプ。
【請求項２】
液化二酸化炭素を前記ポンプ室に導く流路も前記冷却部内を通るように配置され、前記冷却部は前記ポンプ室に導かれる液化二酸化炭素も冷却するように構成されている請求項１に記載の液化二酸化炭素送液ポンプ。
【請求項３】
前記ポンプヘッドは前記ポンプ室内を背面側からプランジャが往復移動するプランジャポンプであり、
前記ポンプヘッドは前記ポンプ室側から正面側に取り外し可能に構成されており、
前記冷媒用ポンプ及び前記冷却部は前記正面側以外の位置に配置されている請求項１又は２に記載の液化二酸化炭素送液ポンプ。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載の液化二酸化炭素送液ポンプと、
前記液化二酸化炭素送液ポンプから液化二酸化炭素が供給される移動相流路にモディファイアを供給するモディファイア供給流路と、
前記移動相流路とモディファイア供給流路との合流部の下流の移動相流路に試料を注入する試料注入部と、
前記試料注入部の下流に配置された分離カラムと、
前記分離カラムの下流に配置され、前記分離カラムにおける移動相が超臨界流体状態になる圧力に維持する背圧弁と、
前記分離カラムと前記背圧弁の間又は前記背圧弁の下流に配置された検出器と、
を備えた超臨界流体クロマトグラフ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超臨界流体クロマトグラフと、それに用いる液化二酸化炭素送液ポンプに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超臨界流体クロマトグラフ（ＳＦＣ）は移動相として超臨界流体を用いる。超臨界流体の典型例は超臨界二酸化炭素である。超臨界二酸化炭素は、臨界温度もしくは臨界圧力、又はそれらを越えた状態にある二酸化炭素である。二酸化炭素は臨界圧力が７.３８ＭＰａであり、臨界温度が３１.１℃と比較的常温に近く、引火性や化学反応性がなく、純度の高いものが安価に手に入ることなどから、超臨界流体クロマトグラフィーで最もよく利用されている。超臨界二酸化炭素は低粘度と高拡散性というクロマトグラフィーとして好ましい性質をもっている。超臨界二酸化炭素クロマトグラフィーは、液体クロマトグラフィーと比べると、より高速で、かつより良好な分離を得ることができるものと期待されている。
【０００３】
超臨界二酸化炭素は非極性でｎ−ヘキサンに類似していることから、超臨界二酸化炭素を移動相とする超臨界流体クロマトグラフィーは、基本的には順相クロマトグラフィーであり、非極性化合物の分析に適したものである。しかし、超臨界二酸化炭素は、メタノールやエタノールといった極性をもつ有機溶媒に対して相溶性をもつことから、これらの極性有機溶媒をモディファイアとして添加することにより移動相に極性をもたせることができ、極性化合物の分析もできるようになる。そこで、モディファイアの添加割合を時間とともに徐々に増加させるグラジエント分析も行われている。
【０００４】
超臨界二酸化炭素を用いた超臨界流体クロマトグラフでは、液化二酸化炭素が送液ポンプにより加圧されながら送液される。送液ポンプとしては、例えば、ポンプ室内をプランジャが往復移動するプランジャポンプが使用されている。送液ポンプは液化二酸化炭素の状態を保って送液するために臨界温度未満の温度、例えば５℃に冷却した状態で使用される。
【０００５】
送液ポンプでは液化二酸化炭素を加圧する際に熱が発生して温度が上昇するのを防ぐために、ポンプヘッドに熱交換ブロックを取り付け、その熱交換ブロックを冷却水で冷却するために装置外部に設置された冷却水循環装置からの配管を接続したり、その熱交換ブロックにペルチェ素子などの冷却素子を取り付けて冷却したりすることが行われている（特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２０１４−５１７１７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
液化二酸化炭素の送液ポンプとしてプランジャポンプを使用した場合、プランジャやプランジャシールを定期的に交換したりする保守作業が必要となる。保守作業ではポンプヘッドを分解してプランジャやプランジャシールを取り出す必要がある。しかし、ポンプヘッドに熱交換ブロックが取り付けられ、さらにそれに配管や冷却素子が取り付けられていると、保守作業の際にそれらの部材の脱着作業が必要になるため、保守作業の作業効率が悪くなる。
【０００８】
送液ポンプとしてプランジャポンプ以外のポンプを使用する場合でも、そのポンプヘッドを分解することにより保守作業が必要になるものは本発明の対象となる。
【０００９】
本発明は、超臨界流体クロマトグラフで液化二酸化炭素を送液する送液ポンプの保守作業の作業効率を向上させることを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の液化二酸化炭素送液ポンプは、液化二酸化炭素を送液するためのポンプ室及び前記ポンプ室を通る液化二酸化炭素流路とは別の冷媒流路を備えたポンプヘッドと、前記冷媒流路を含む冷媒用の循環流路と、前記循環流路上に配置され前記循環流路内で前記冷媒を循環させる冷媒用ポンプと、前記循環流路上で前記ポンプヘッドから離れた位置に配置され、前記循環流路内を通る冷媒を冷却するように構成された冷却部と、を備えている。
【００１１】
本発明の超臨界流体クロマトグラフは、本発明の液化二酸化炭素送液ポンプと、前記液化二酸化炭素送液ポンプから液化二酸化炭素が供給される移動相流路にモディファイアを供給するモディファイア供給流路と、前記移動相流路とモディファイア供給流路との合流部の下流の移動相流路に試料を注入する試料注入部と、前記試料注入部の下流に配置された分離カラムと、前記分離カラムの下流に配置され、前記分離カラムにおける移動相が超臨界流体状態になる圧力に維持する背圧弁と、前記分離カラムと前記背圧弁の間又は前記背圧弁の下流に配置された検出器と、を備えている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明では、送液ポンプのポンプヘッドには熱交換ブロックは取り付けられていない。その代わりに、冷媒流路がポンプヘッドと熱交換を行ってポンプ室を冷却する。従来のような熱交換ブロックが取り付けられていないので、ポンプヘッドの保守作業が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一実施例の超臨界流体クロマトグラフを示す概略構成図である。
【図２】同超臨界流体クロマトグラフにおける背圧弁の一例を示す概略断面図である。
【図３】一実施例の送液ポンプの主要部をポンプヘッドの蓋を取り外した状態で示す正面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線位置での断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
一実施形態では、液化二酸化炭素をポンプ室に導く流路も冷却部内を通るように配置され、冷却部はポンプ室に導かれる液化二酸化炭素も冷却するように構成されている。このように液体二酸化炭素自体も冷却部で冷却するように構成されていることにより、送液ポンプでの冷却が容易になる。
【００１５】
他の実施形態では、ポンプヘッドはポンプ室内を背面側からプランジャが往復移動するプランジャポンプである。そして、ポンプヘッドはポンプ室側から正面側に取り外し可能に構成されており、冷媒用ポンプ及び冷却部は正面側以外の位置に配置されている。
【００１６】
本発明では、ポンプヘッドに冷却ブロックを取り付けないことにより、冷媒用ポンプ及び冷却部の配置の自由度が高まるので、この実施形態のように冷媒用ポンプと冷却部を正面側以外の位置に配置することにより、ポンプヘッドの保守作業性はさらに向上する。
【００１７】
図１は一実施例の超臨界流体クロマトグラフを概略的に示したものである。送液ポンプ２は液化二酸化炭素容器４からの液化二酸化炭素を加圧しながら移動相流路６に供給する。液化二酸化炭素容器４は、液化二酸化炭素を収容したボンベであってもよく、又は供給された二酸化炭素ガスを冷却して液化二酸化炭素を生成し、それを収容したタンクでもよい。
【００１８】
移動相流路６にメタノールなどの極性の大きな溶媒からなるモディファイア８をポンプ１０により供給するモディファイア供給流路１２が接続されている。
【００１９】
移動相流路６とモディファイア供給流路１２の合流点１４の下流の移動相流路９には分離カラム１６が配置されている。分離カラム１６は温度が一定になるようにカラムオーブン１７内に収容されている。合流点１４と分離カラム１６の間の移動相流路９に試料を注入するための自動試料注入装置（オートサンプラ）などの試料注入部１８が配置されている。移動相流路９内の圧力を維持するために分離カラム１６の下流には背圧弁（ＢＰＲ）２０が配置されている。移動相流路９内の移動相が少なくとも分離カラム１６内では超臨界状態となるように、背圧弁２０による圧力とカラムオーブン１７による温度が設定されている。
【００２０】
分離カラム１６で分離された試料成分を検出するために検出器２２が配置されている。検出器２２としては、特に限定されるものではないが、この実施例では質量分析計、例えばタンデム四重極質量分析計を使用する。検出器２２としての質量分析計は、ＥＳＩ（エレクトロスプレーイオン化）源を備えている。背圧弁２０の上流側の移動相流路９内では移動相は超臨界状態であるが、背圧弁２０の下流側では移動相は大気圧下に放出されるため、カラム１６で分離されて溶出した試料成分は背圧弁２０の下流側で移動相とともに霧状になって放出される。移動相の放出口と質量分析計のイオン化室の間に電圧（エレクトロスプレー電圧）を印加することにより、溶出した試料成分がイオン化され、質量分析計により分析される。
【００２１】
検出器２２として質量分析計を使用する場合は、質量分析計のイオン化室での試料成分のイオン化を促進するために、移動相にギ酸やアンモニア等のイオン化促進剤を添加しておいてもよい。また、カラム１６と背圧弁２０との間の移動相流路に、イオン化補助剤となるメイクアップ溶液をポンプにより供給するようにしてもよい。そのメイクアップ溶液としては、例えばメタノールなどの有機溶媒又は水に、ギ酸やアンモニア等のイオン化促進剤を含む溶液を使用することができる。
【００２２】
検出器としては、分離カラム１６と背圧弁２０の間に紫外可視分光光度計などの検出器２２Ａを配置してもよい。そのような検出器２２Ａは背圧弁２０の下流に配置される検出器２２の代わりに設けられたものであってもよく、背圧弁２０の下流に配置される検出器２２とともに設けられたものであってもよい。
【００２３】
また、分離カラム１６と背圧弁２０の間に紫外可視分光光度計などの検出器２２Ａを配置し、背圧弁２０の下流に分取装置（フラクションコレクタ）を接続して、検出器２２Ａの検出信号を基づいて分取装置の動作を制御するようにしてもよい。
【００２４】
移動相流路６には移動相流路６、９内の圧力が耐圧以上になるのを防止するためのリリーフバルブ７が設けられている。リリーフバルブ７は、一定圧力、例えば４５ＭＰａ又は６０ＭＰａで解放されるように設定できるものとすることができる。
【００２５】
分析を行っていないときにこの超臨界流体クロマトグラフの流路を洗浄するために、洗浄液９Ａ〜９Ｃがポンプ１０により流路内に供給できるようになっている。ポンプ１０とモディファイア８、洗浄液９Ａ〜９Ｃの間の流路には、図示は省略されているが、いずれかを選択してポンプ１０により供給できるように流路切換えバルブが設けられている。
【００２６】
この超臨界流体クロマトグラフにおける液化二酸化炭素の挙動を説明する。液化二酸化炭素はボンベ４に収納されているものとし、その圧力は例えば７ＭＰＡである。移動相流路内の圧力が分離カラム１６内では例えば２０〜２５ＭＰＡとなるように、背圧弁２０が１０〜４１ＭＰＡの間の一定の圧力になるように制御され、少なくとも分離カラム１６内では液化二酸化炭素は超臨界二酸化炭素となっている。グラジエント分析では、超臨界二酸化炭素中のモディファイアの割合が時間的に増加することにより分離カラム１６での圧力が上昇する。
【００２７】
次に、送液ポンプ２について説明する。送液ポンプ２はプランジャ式のポンプヘッド３０により液化二酸化炭素を送液するものである。送液ポンプ２は、ボンベ４からの液化二酸化炭素を液体状態のまま送液するためにポンプヘッド３０が二酸化炭素の臨界温度未満の温度、例えば５℃に冷却され、ポンプヘッド３０の下流で移動相が二酸化炭素の臨界温度以上に加熱されたときに超臨界状態になるように、液化二酸化炭素を例えば２０ＭＰａに加圧しながら移動相流路６に送り出す。
【００２８】
ボンベ４からポンプヘッド３０にいたる液化二酸化炭素の流路５には開閉弁３２が配置されている。開閉弁３２は例えば７．４ＭＰａの耐圧をもっている。開閉弁３２の制御回路の図示は省略されているが、開閉弁３２はポンプヘッド３０が作動（オン）しているときだけ液化二酸化炭素を流すように、ポンプヘッド３０のオン・オフのタイミングと同期して開閉するように制御される。
【００２９】
ポンプヘッド３０におけるプランジャによる吐出動作により発生する熱を除去してポンプヘッド３０の温度を一定（この実施例では５℃）に保つために、ポンプヘッド３０には冷却された冷媒が通る冷媒用の流路３４が設けられている。流路３４はポンプ３６により冷媒が循環させられる循環流路となっている。ポンプ３６としては例えばダイアフラムポンプを使用することができる。流路３４上には冷媒用のタンク３８が配置されている。冷媒としては例えば不揮発性のエチレングリコールを使用する。しかし他の冷媒を使用してもよい。
【００３０】
流路３４を循環する冷媒を冷却するために、流路３４は冷却部４０の冷却ブロック４１と接触し、冷却ブロック４１を貫通するように配置されている。流路３４を流れる冷媒は、冷却ブロック４１により冷却される。冷却ブロック４１は冷却素子としてペルチェ素子を備えている。符号４２で示される部分は、ペルチェ素子とその放熱フィンを示しており、放熱フィンの熱を放出するために放熱フィンに風を送るファン４４が設けられている。冷却部４０は、ペルチェ素子及び放熱フィン４２、冷却ブロック４１並びにファン４４を含んでいる。
【００３１】
ボンベ４からポンプヘッド３０に至る液化二酸化炭素用の流路５は、開閉弁３２の下流部分がその冷却ブロック４１と接触し、冷却ブロック４１を貫通するように配置されている。この構成により、ポンプヘッド３０に至る液化二酸化炭素も冷却部４０の冷却ブロック４１により冷却される。
【００３２】
送液ポンプ２では、ポンプヘッド３０により液化二酸化炭素が断熱圧縮されて加圧され、その際に発生した熱が流路３４を流れる冷媒に吸収されて放熱される。
【００３３】
図２は背圧弁２０の一例を示したものである。背圧弁２０は移動相流路９につながる流路５０と大気に解放された流路５２の間の接続が弁５４により調節されるようになっている。流路５０の開口と流路５２の開口が設けられている弁座と弁５４との間の隙間の大きさが調節され、その隙間の大きさに対応する流路抵抗がこの背圧弁２０の上流側の圧力となる。弁５４を弁座方向に移動させるアクチュエータ５５がステッピングモータ５６とピエゾ素子５８により駆動され、弁座と弁５４との間の隙間が調節される。ステッピングモータ５６はアクチュエータ５５を大きい範囲で移動させるときに使用され、ピエゾ素子５８はアクチュエータ５５を微小な範囲で移動させるときに使用されるものである。移動相流路９には圧力センサ６０が設けられ、圧力センサ６０の検出信号が一定になるように、ステッピングモータ５６とピエゾ素子５８によりアクチュエータ５５が駆動される。
【００３４】
送液ポンプ２の具体的な構造を図３と図４に示す。この実施例では２台のプランジャ式ポンプヘッド３０Ａと３０Ｂを備え、それらの出口側の流路が合流される。その合流した液化二酸化炭素の流量の脈動が小さくなるように２台のポンプヘッド３０Ａと３０Ｂが互いに位相を異ならせて駆動される。
【００３５】
図３は、ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂにおいて冷媒が流れるそれぞれの流路８８Ａ、８８Ｂを構成している蓋６１が外された状態を示されている。その蓋６１のある側がこの送液ポンプの正面側であり、それとは反対側の背面側にプランジャ６５が配置されている。
【００３６】
まず、液化二酸化炭素を供給するためのポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂの構造について説明する。ポンプヘッド３０Ａと３０Ｂは同じ構造であるので、図４を参照してポンプヘッド３０Ａについて説明する。ポンプヘッド３０Ａはポンプ室６２内を、プランジャシール６３により液密状態に封止されたプランジャ６５が往復移動することにより送液を行う。プランジャ６５はロッド６６の先端に配置され、ロッド６６の基端部のカムフォロア６７がカム６４と当接し、そのカム６４がモータ（図示略）により回転させられることにより、ロッド６６を介してプランジャ６５のポンプ室６２内での往復移動が駆動される。ポンプ室６２の入口には液化二酸化炭素を供給する流路６８が逆止弁７０を介して接続され、ポンプ室６２の出口には出口側の流路７４が逆止弁７２を介して接続されている。ポンプ室６２でのプランジャ６５の往復移動と逆止弁７０、７２の作用により、液化二酸化炭素が流路６８からポンプ室６２に供給され、ポンプ室６２で加圧されて流路７４から送り出される。
【００３７】
次に、冷媒の循環流路について説明する。冷媒タンク３８（図１参照。）を設置するように冷媒タンク収納部７６が設けられている。冷媒タンク収納部７６に設置された冷媒タンク３８中の冷媒を循環させるために、ポンプ（図示略）により冷媒を吸入するチューブ７８の先端が冷媒タンク３８に挿入される位置に配置されている。チューブ７８はそのポンプを経て金属パイプからなる流路８４につながり、流路８４は冷却部４０の冷却ブロック４１（図１参照。）中を通るように配置されている。冷却ブロック４１はポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂから離れた位置に配置され、この実施例ではポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂの下方に配置されている。流路８４を構成するパイプはステンレスなどの金属製であり、冷却ブロック４１中では熱導電性の部材を介して冷却ブロック４１と接触している。冷却ブロック４１は熱伝導性のよいアルミニウムなどの金属製である。このように、流路８４と冷却ブロック４１との間の熱交換が良好に行われるように構成されている。冷却ブロック４１を経た流路８４は、図３に示されるように、金属パイプからなる流路８６を経てポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂにそれぞれ設けられた冷媒用の流路８８Ａ、８８Ｂにつながっている。ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂはステンレスなどの熱伝導性のよい金属で構成されている。流路８８Ａ、８８Ｂはポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂ内でポンプ室６２と隣接する位置に設けられた蛇行した流路であり、ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂ内においてポンプ室６２との間で熱交換する。流路８８Ａ、８８Ｂはそれぞれの出口流路を経て１本のパイプからなる流路９０に合流しており、その流路９０の出口は冷媒タンク収納部７６に設置された冷媒タンク３８に挿入される位置に配置されており、流路９０からの冷媒が冷媒タンク３８に戻される。
【００３８】
チューブ７８と流路９０の材質は特に限定されるものではないが、冷媒タンク収納部７６において冷媒タンク３８への挿入動作が容易になるように柔軟性をもつ材質、例えばフッ素樹脂などが好ましい。
【００３９】
このように、チューブ７８、流路８４、流路８６、流路８８Ａ、８８Ｂ及び流路９０は図１に示した循環流路３４を構成している。冷媒は、冷媒タンク３８からチューブ７８により吸入され、流路８４を流れる間に冷却ブロック４１で冷却されてポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂに導かれ、ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂを冷却する。ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂを経た冷媒は流路９０を経て冷媒タンク３８に戻され、再びチューブ７８から吸入されてポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂの冷却に供される。
【００４０】
ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂの正面側には、冷却ブロック４１のような、ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂの保守作業の妨げになる部材は配置されていない。冷却ブロック４１を含む冷却部４０は、ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂから離れた位置、この例では、下方に配置されている。ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂを冷却するのは冷却ブロック４１自体ではなく、冷却ブロック４１で冷却された冷媒であるので、ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂと冷却ブロック４１の間を冷媒用の流路で接続することにより冷却ブロック４１をポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂから離れた位置に配置できるようになった。
【００４１】
冷媒循環用のポンプ３６は、図３と図４には示されていないが、ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂを備えた液化二酸化炭素送液用のポンプの側方に配置されている。このように、冷却ブロック４１もポンプ３６も、ともにポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂの正面の位置から離れた位置に配置されている。液化二酸化炭素送液用のポンプは、冷媒用の流路を構成している蓋６１を外し、さらにポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂを正面側に外すと、プランジャシール６３とプランジャ６５を取り外すことができる。従来のようにポンプヘッドに冷却ブロックが取り付けられている構造と比べると、液化二酸化炭素送液用のポンプの保守作業が容易である。
【００４２】
液化二酸化炭素を供給する流路６８も熱伝導性のよい金属製であり、冷媒用の流路８４と同様に冷却ブロック４１の中を通って冷却ブロック４１と熱交換可能に接触して冷却されるように構成されている。液化二酸化炭素はポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂで加圧される際に断熱圧縮により発熱するので、ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂに導かれる液化二酸化炭素を冷却ユニット８２で冷却しておくことによりポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂから送り出される液化二酸化炭素を所定の温度に維持するのが容易になる。
【００４３】
送液ポンプ２のほとんどの部分は筐体６３内に収容され、保守と操作を容易にするために、ポンプヘッド３０Ａ、３０Ｂと冷媒タンク収納部７６は筐体６３の前面パネルから正面側に露出するように配置されている。
【符号の説明】
【００４４】
２      送液ポンプ
４      液化二酸化炭素容器
６、９      移動相流路
８      モディファイア
１０      ポンプ
１２      モディファイア供給流路
１６      分離カラム
１８      試料注入部
２０      背圧弁
３０、３０Ａ、３０Ｂ      ポンプヘッド
３４、８４、８８Ａ、８８Ｂ、９０      冷媒用の流路
３６      冷媒用のポンプ
３８      冷媒タンク
４１      冷却ブロック
６２      ポンプ室
６５      プランジャ
７８      チューブ
【図１】
0006428410.tif 000002
【図２】
0006428410.tif 000003
【図３】
0006428410.tif 000004
【図４】
0006428410.tif 000005