JP7675644B2 - 送液ポンプ - Google Patents

Description

本発明は、液体を送るポンプに関する。

送液ポンプは、定量の液体を送るためのポンプであり、例えば液体クロマトグラフに用いられる。液体クロマトグラフを用いた分析では、分析結果に高い再現性が必要であり、このためには送液ポンプに高い流量精度が求められる。

一般に、液体クロマトグラフは、液体である溶媒を送液する送液ポンプ、試料を液体クロマトグラフに導入するためのインジェクタ、分離カラム、検出器、廃液容器、及びこれらの機器を制御するシステム制御部を備える。液体クロマトグラフに用いられる送液ポンプは、直列に接続された２台のプランジャポンプで構成されることが一般的である。上流側のプランジャポンプ（第１プランジャポンプ）は、溶媒を吸引し、圧縮して吐出する。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、第１プランジャポンプの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（すなわち、第１プランジャポンプが溶媒を吸引し圧縮するときに、溶媒を吐出する）。送液ポンプは、第１プランジャポンプと第２プランジャポンプのこのような動作により、一定流量の溶媒を送液することができる。

送液ポンプから吐出された溶媒には、インジェクタによって、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、分離カラムに導入されて成分ごとに分離され、その後、検出器により、試料成分に応じた特性、例えば吸光度、蛍光強度、及び屈折率などが検出される。分離カラムには、微小粒子が充填されている。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、分離カラムの径（例えば、数ミリメートル程度）、微小粒子の大きさ（例えば、数マイクロメートル程度）、及び通過流量に応じて異なる。

溶媒は、負荷圧力まで圧縮されて送液ポンプから吐出される。分離カラムの下流側にある検出器では、溶媒の圧力はほぼ大気圧である。このため、溶媒は、検出器では送液ポンプ内の状態に対して膨張している。また、送液ポンプでは、シール部や構成部品の接続部から微小な量の溶媒が漏れることがある。したがって、送液ポンプで高い流量精度を得るためには、溶媒の膨張と漏れを考慮して、送液ポンプを制御する必要がある。溶媒の漏れには、圧力に依存する漏れと流量に依存する漏れがある。

溶媒の膨張又は漏れを考慮した従来の送液ポンプの例は、例えば特許文献１と特許文献２に開示されている。

特許文献１には、溶媒の圧縮の影響を補正する技術が開示されている。特許文献１に記載された送液装置は、ポンプ部から吐出流路へ吐出される移動相（流体）の流量の大気圧下についての換算値が設定された流量になるようなプランジャポンプの吐出速度を求める吐出速度算出部と、吐出速度算出部が求めた吐出速度で吐出行程中のプランジャポンプを動作させる吐出動作制御部とを備えるので、大気圧下での移動相の体積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正確に制御することができ、移動相の圧縮性に起因する送液流量のずれを小さくすることができる。

特許文献２には、漏れを検出して、さらに補正する技術が開示されている。特許文献２に記載された装置では、所定のある一定の圧力において流量が０になるようにポンプを駆動し、このときのプランジャの変位を分析することで漏れの検出を行い、検出した漏れを補正するようにポンプ流量を調整する。

国際公開第２０１９／０８２２４３号 欧州特許第２２４４０９１号明細書

特許文献１に開示された技術では、溶媒の膨張のみを考慮して送液ポンプを制御し、溶媒の漏れが考慮されていない。このため、送液ポンプに求められた流量精度に対して、漏れの大きさが無視できない場合には、求められた流量精度を達成することが難しい。

特許文献２に開示された技術では、溶媒の漏れを考慮してポンプ流量を調整するが、溶媒の圧力に依存する漏れのみを考慮しており、流量に依存する漏れを考慮していない。このため、送液ポンプに求められた流量精度に対して、流量が変化した場合の漏れの変化が無視できない場合には、求められた流量精度を達成することが難しい。

このように、従来の技術では、溶媒の膨張と、溶媒の圧力に依存する漏れと、溶媒の流量に依存する漏れを考慮していないので、これらを考慮して高い流量精度で送液できる送液ポンプが望まれている。

本発明は、溶媒の膨張と、溶媒の圧力に依存する漏れと、溶媒の流量に依存する漏れを考慮できて、流量精度の高い送液が可能な送液ポンプを提供することを目的とする。

本発明による送液ポンプは、液体を吐出する送液ポンプであって、移動可能な第１プランジャを備える第１プランジャポンプと、移動可能な第２プランジャを備え、前記第１プランジャポンプと接続された第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側に配置され、前記第２プランジャポンプから吐出された前記液体の圧力である送液圧力を測定する圧力センサと、前記圧力センサが測定した前記送液圧力を入力するとともに、前記第１プランジャの駆動と前記第２プランジャの駆動を制御する制御部とを備える。前記制御部は、前記送液圧力に依存するパラメータと、前記送液圧力と、前記液体の予め設定された流量である目標流量とを用いて、前記第１プランジャの移動速度と前記第２プランジャの移動速度を求める。前記パラメータは、前記送液圧力と前記液体の流量との関係を表す式のパラメータである。

本発明によると、溶媒の膨張と、溶媒の圧力に依存する漏れと、溶媒の流量に依存する漏れを考慮できて、流量精度の高い送液が可能な送液ポンプを提供することができる。

本発明の実施例１によ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、第１プランジャと第２プランジャの変位、及び溶媒の吐出流量と吐出圧力を示すグラフである。 ２つの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。 送液ポンプの流量精度に影響を与える因子の関係を模式的に説明する図である。 送液圧力に対する検出器での溶媒の流量を模式的に示す図である。 基本流量がＱｂ１の場合に、送液圧力に対する検出器での溶媒の流量の測定値の例を模式的に示す図である。 基本流量がＱｂ２の場合に、送液圧力に対する検出器での溶媒の流量の測定値の例を模式的に示す図である。 送液圧力に対し、式（５）から得られたパラメータＣ１をプロットした例を模式的に示す図である。 送液圧力に対し、式（６）から得られたパラメータＣ０をプロットした例を模式的に示す図である。

本発明による送液ポンプは、液体である溶媒を吐出して送るポンプであり、例えば、液体クロマトグラフに適用することができる。本発明による送液ポンプは、溶媒の膨張と、溶媒の圧力に依存する漏れと、溶媒の流量に依存する漏れを考慮してポンプ動作（より具体的には、プランジャの移動速度）を決定し、流量精度の高い送液が可能である。本発明による送液ポンプでは、ポンプ制御部が、送液圧力と検出器での溶媒の流量との関係を表す式のパラメータの値を求め、このパラメータを用いて求めた速度でプランジャを駆動する。さらに、本発明による送液ポンプは、送液中の圧力をフィードバックして、送液中にパラメータを調整することもできる。

以下では、本発明の実施例による送液ポンプを説明する。なお、以下で述べる流量とは、特に説明をしない限り、体積流量のことである。

＜送液ポンプ及び液体クロマトグラフの構成例＞
図１は、本発明の実施例１による送液ポンプ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。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、廃液容器５、及びこれらの機器を制御するシステム制御部７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、本実施例では、これらの機器の詳細な構成についての説明を省略する。

送液ポンプ１は、ポンプ制御部であるコントローラ１０、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を備える。送液ポンプ１は、液体（例えば、溶媒）を吐出する。送液ポンプ１は、その下流側に、インジェクタ２、分離カラム３、検出器４、及び廃液容器５を接続可能である。本実施例では、送液ポンプ１の下流に、インジェクタ２、分離カラム３、検出器４、及び廃液容器５が接続されている。検出器４は、送液ポンプ１が吐出した液体（溶媒）に含まれる試料の特性を検出する。

第１プランジャポンプ１０１と第２プランジャポンプ１０２は、互いに直列に接続されている。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。なお、第１プランジャポンプ１０１と第２プランジャポンプ１０２は、互いに並列に接続されてもよい。本実施例では、第１プランジャポンプ１０１と第２プランジャポンプ１０２が直列に接続されている例を説明する。

圧力センサ１１０は、第２プランジャポンプ１０２の下流側に設置されている。圧力センサ１１０は、第２プランジャポンプ１０２から吐出された溶媒（液体）の圧力（吐出圧力）を測定し、測定した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予め定められ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のドライバを動作させる。また、コントローラ１０は、予め定められ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を有する第１ポンプヘッド１１１を備える。第１逆止弁５１は、第１吸引通路３１の流路上に配置されている。第２逆止弁５２は、第１吐出通路４１の流路上に配置されている。第１逆止弁５１と第２逆止弁５２は、溶媒の流通方向を制限する。第１プランジャ２１は、加圧部材であり、軸受７１により第１プランジャポンプ１０１内を摺動して移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を有する第２ポンプヘッド１１２を備える。第２逆止弁５２と第２吸引通路３２は、連結流路１０３により互いに連結されている。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、直列に接続され、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は、加圧部材であり、軸受７２により第２プランジャポンプ１０２内を摺動して移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、プランジャ（第１プランジャ２１と第２プランジャ２２）の「上昇」とは、加圧室（第１加圧室１１と第２加圧室１２）の内部の溶媒が圧縮又は吐出される方向のプランジャの移動（図１における右向きの動き）を表す。一方、プランジャの「下降」とは、加圧室の内部に溶媒が吸引される方向のプランジャの移動（図１における左向きの動き）を表す。また、「上限点」とは、プランジャが加圧室の内部を移動できる範囲において、最も上昇した位置を示す。「下限点」とは、プランジャが加圧室の内部を移動できる範囲において、最も下降した位置を示す。

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、第１プランジャ２１は、コントローラ１０により、以下のようにして制御される。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、第１電動モータ２１１を回転させる。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る。第１プランジャ２１は、直動装置２３１のこの直線運動にしたがって往復運動をする。

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、第２プランジャ２２は、コントローラ１０により、以下のようにして制御される。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、第２電動モータ２１２を回転させる。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る。第２プランジャ２２は、直動装置２３２のこの直線運動にしたがって往復運動をする。

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、２２２の具体例としては、平歯車、プーリー、遊星歯車、及びウォームギヤなどを挙げることができる。減速装置２２１、２２２を設ける主な理由は、第１及び第２電動モータ２１１、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、２１２に十分なトルクを発生させる能力があるならば、必ずしも減速装置２２１、２２２を設置する必要はない。

直動装置２３１、２３２の具体例としては、ボールねじ、カム、及びラックピニオンなどを挙げることができる。

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の下流側に接続されている。パージバルブ３１１は、第２プランジャポンプ１０２から吐出された溶媒が流れる方向を、インジェクタ２側又は廃液タンク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と第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いる。第１電磁弁８１と第２電磁弁８２の開閉と、第１プランジャポンプ１０１と第２プランジャポンプ１０２（第１プランジャ２１と第２プランジャ２２）の駆動により、第１溶媒５１１と第２溶媒５１２は、送液ポンプ１へ送液される。

第１プランジャポンプ１０１が溶媒を吸引するときには、第１電磁弁８１と第２電磁弁８２のうち一方が開いて他方が閉じた状態となり、第１溶媒５１１と第２溶媒５１２のうち一方が吸引される。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に流入する。吸引されて第１加圧室１１の内部に流入した溶媒は、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の内部の圧力が第２加圧室１２の内部の圧力より大きくなると、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、及び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の径や長さ、微小粒子の種類や大きさ、及び通過流量などに応じて異なる。

送液ポンプ１は、検出器４の上流側又は下流側に流量計８を備えることができる。図１では、一例として、流量計８が検出器４の上流側に設置されている。流量計８は、送液ポンプ１が吐出した溶媒の、検出器４での流量を測定する。流量計８が測定した値は、コントローラ１０に入力される。なお、送液ポンプ１は、流量計８を備えなくてもよい。

＜送液方法＞
本実施例による送液ポンプ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。「通常送液」とは、送液ポンプ１が吐出した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）の送液方法は、試料を分析する場合と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、第１プランジャ２１と第２プランジャ２２の変位、及び溶媒の吐出流量と吐出圧力を示すグラフである。図２に示す４つのグラフにおいて、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、及び溶媒の吐出圧力を示す。ここで、吐出流量は、送液ポンプ１が吐出した溶媒の流量（送液ポンプ１が吐出した直後の溶媒の流量）であり、吐出圧力は、圧力センサ１１０が検出する圧力、すなわち送液ポンプ１から吐出された溶媒の圧力である。第１プランジャ２１の変位と第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と第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と第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では、４周期分の動作が示されている。１つの送液周期の中には、時間順に区間ａ、区間ｂ、区間ｃ、及び区間ｄという４つの区間がある。

区間ａは、第１プランジャ２１が下降して溶媒を吸引する区間である。区間ｂは、第１プランジャ２１が上昇して溶媒を圧縮する区間である。区間ａと区間ｂでは、第１加圧室１１から溶媒が吐出されないので、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が上昇する区間ｂ１と、その後に第１プランジャ２１が停止する区間ｂ２がある。区間ｃは、第２プランジャ２２が下降して溶媒を吸引する区間である。区間ｃでは、第１プランジャ２１は、上昇して、第２プランジャ２２の吸引分と送液ポンプ１が吐出する分の溶媒を吐出する。区間ｄでは、第１プランジャ２１は、上昇して溶媒を吐出し、第２プランジャ２２は、停止する。

第１プランジャポンプ１０１と第２プランジャポンプ１０２は、このような動作を行うことで、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にすることができる。

第１プランジャ２１は、区間ｂ１と区間ｂ２とで動作が異なる。第１プランジャ２１がこれらの動作を切り替えるタイミングは、例えば、圧力センサ１１０が吐出圧力の脈動を検出したタイミングとすることができる。具体的には、区間ｂ１で、第１プランジャ２１が上昇して圧縮動作を続けると、第１加圧室１１の内部の溶媒の圧力が吐出圧力を超えることによって、吐出流量が瞬間的に大きくなり、これに伴って吐出圧力も瞬間的に大きくなる。図２には、このようにして生じる吐出流量と吐出圧力の脈動を示している。

コントローラ１０は、圧力センサ１１０が吐出圧力の脈動を検出したタイミングで、第１プランジャ２１の動作を、区間ｂ１での動作から区間ｂ２での動作に切り替える。

以下では、漏れがない場合に送液ポンプ１から吐出される、圧縮された状態（高圧の状態）の溶媒の体積流量を「基本流量Ｑｂ」と呼ぶ。基本流量Ｑｂは、区間ａ、ｂと区間ｃ、ｄに分けて、以下の式（１）と式（２）で表される。
Ｑｂ＝ｖ２×Ａ （区間ａ、ｂ） （１）
Ｑｂ＝（ｖ１＋ｖ２）×Ａ （区間ｃ、ｄ） （２）
ｖ１は、第１プランジャ２１の移動速度である。ｖ２は、第２プランジャ２２の移動速度である。Ａは、第１プランジャ２１と第２プランジャ２２の断面積であり、既知の値である。ただし、第１プランジャ２１と第２プランジャ２２の断面積が同一であると仮定している。

基本流量Ｑｂは、区間ａ、ｂでは、第２プランジャ２２が上昇して押しのけた溶媒の体積をその区間の時間で割った値にほぼ一致し、区間ｃ、ｄでは、第１プランジャ２１が上昇して押しのけた溶媒の体積と第２プランジャ２２が下降して引き込んだ溶媒の体積との差分をその区間の時間で割った値にほぼ一致する。すなわち、基本流量Ｑｂは、漏れがない場合に送液ポンプ１から吐出される、圧縮された状態の溶媒の体積流量である（ただし、脈動は考慮しない）。図２に示した吐出流量は、漏れがない場合の体積流量、すなわち基本流量Ｑｂであり、脈動も示されている。

基本流量Ｑｂがわかると、断面積Ａが既知であるため、式（１）と式（２）から区間ａ、ｂと区間ｃ、ｄでのｖ１とｖ２、すなわち第１プランジャ２１と第２プランジャ２２を移動させる速度が求められる。ただし、ｖ１とｖ２の比を予め定めておく必要がある。具体的には、区間ａ、ｂでは、式（１）からｖ２が求められる。このとき、第１プランジャ２１の動作は吐出流量に影響しないので、区間ａで溶媒を吸引する速度と、区間ｂで溶媒を圧縮する速度は、区間ａ、ｂの時間の範囲内で任意の値をとることができる。区間ｄでは、図２の第２プランジャ２２の変位からｖ２＝０なので、式（２）からｖ１が求められる。区間ｃでは、区間ｃの時間で第２プランジャ２２が下限点に戻るようにｖ２が求められ、そして式（２）からｖ１が求められる。

＜液体クロマトグラフの他の構成例＞
図３は、２つの送液ポンプ１００１、１００２を備える液体クロマトグラフ２００の構成を示す模式図である。図３に示す液体クロマトグラフ２００は、送液ポンプ１００１、送液ポンプ１００２、インジェクタ２、分離カラム３、検出器４、廃液容器５、及びシステム制御部７を備える。送液ポンプ１００１と送液ポンプ１００２は、本実施例による送液ポンプ１（図１）と同じ構成を備える。

図３に示した液体クロマトグラフ２００は、並列に接続された２つの送液ポンプ１００１、１００２を有し、いわゆる高圧グラジエント分析が可能な構成を備える。送液ポンプ１００１、１００２は、互いに異なる溶媒を送液する。すなわち、送液ポンプ１００１は、第１溶媒５１１と第２溶媒５１２を送液し、送液ポンプ１００２は、第３溶媒５１３と第４溶媒５１４を送液する。送液ポンプ１００１からの流路と送液ポンプ１００２からの流路は、インジェクタ２の上流側にある合流点６で合流する。

送液ポンプ１００１から送液された溶媒と送液ポンプ１００２から送液された溶媒は、合流点６より下流側で混合されて分離カラム３に送液される。送液ポンプ１００１、１００２の流量は、分析項目に応じてシステム制御部７によりそれぞれ適切に設定される。

高圧グラジエント分析の際には、一般に、送液ポンプ１００１と送液ポンプ１００２の合計の流量を一定とし、それぞれの送液ポンプ１００１、１００２の流量を変化させて、分離カラム３に流れる溶媒の濃度を変化させる。したがって、１回の分析で、それぞれの送液ポンプ１００１、１００２の流量が逐次変化していく。このため、目標流量（検出器４での目標とする流量）に応じたポンプ動作（プランジャの駆動速度）の補正が必要である。

＜流量精度に影響を与える因子＞
図４は、送液ポンプ１の流量精度に影響を与える因子の関係を模式的に説明する図である。図４では、紙面の左右方向に長い長方形で流量を示している。各長方形の左右方向の長さが、流量（体積流量）の大きさを示す。なお、溶媒の送液圧力（吐出圧力）をＰ２で表し、検出器４での溶媒の圧力をＰ０で表す。送液圧力Ｐ２は、送液ポンプ１の内部での溶媒の圧力であり、圧力センサ１１０で測定される圧力である。検出器４での溶媒の圧力Ｐ０は、大気圧にほぼ等しく、送液圧力Ｐ２よりも低い。

溶媒の流量は、溶媒の漏れと膨張により変化する。以下では、溶媒の漏れによる流量の変化と、溶媒の膨張による流量の変化について説明する。

溶媒は、圧力が送液圧力（吐出圧力）Ｐ２のときには圧縮されている。第１プランジャ２１と第２プランジャ２２は、この状態の溶媒を基本流量Ｑｂで押しのける。溶媒の漏れがなければ、この基本流量Ｑｂの溶媒が送液ポンプ１から吐出される。実際には、プランジャ２１、２２とシール６１、６２の隙間や、逆止弁５１、５２の接続部分などから溶媒の漏れが発生するため、この漏れの分だけ送液ポンプ１から吐出される流量は、基本流量Ｑｂよりも小さくなる。

溶媒の漏れには、圧力に依存する漏れと、流量に依存する漏れがある。圧力に依存する漏れの量をＱｌｅａｋＰで表し、流量に依存する漏れの量をＱｌｅａｋＱで表す。

図４に示すように、圧力が送液圧力Ｐ２の溶媒は、漏れがない場合には、流量が基本流量Ｑｂである。圧力に依存する漏れと流量に依存する漏れがある場合には、流量は、ＱｌｅａｋＰとＱｌｅａｋＱの和だけ小さくなる。すなわち、漏れがある場合には、送液ポンプ１から吐出される溶媒（圧力はＰ２）の流量Ｑ２は、溶媒の膨張を考慮しないと、基本流量Ｑｂより（ＱｌｅａｋＰ＋ＱｌｅａｋＱ）だけ小さい。

圧力に依存する漏れは、送液ポンプ１の内部の溶媒の圧力と、送液ポンプ１の外部の圧力（大気圧）との圧力差によって、上述の漏れの発生個所から溶媒が漏れ出す現象である。圧力に依存する漏れは、圧力差が大きいほど大きい。

流量に依存する漏れは、例えば、プランジャ２１、２２が下降するときにプランジャ２１、２２に溶媒が付着して、シール６１、６１とプランジャ２１、２２の隙間から溶媒が漏れ出す現象である。流量に依存する漏れは、例えば、図２に示した区間ｃにおいて第２プランジャ２２が下降する際に発生する。流量が大きいと、区間ｃでの第２プランジャ２２の下降距離が大きく、このために多くの溶媒が漏れる。

圧力に依存する漏れのメカニズムと流量に依存する漏れのメカニズムは、この他にもいくつか存在すると考えられる。

また、図４に示すように、検出器４では、溶媒が膨張することにより、流量が変化する。検出器４での溶媒の圧力は、大気圧にほぼ等しいＰ０であり、送液圧力Ｐ２よりも低い。このため、検出器４での溶媒は、送液ポンプ１の内部での溶媒よりも膨張している。この膨張により、検出器４での溶媒の流量Ｑ０は、Ｑ２（送液ポンプ１から送液圧力Ｐ２で吐出される溶媒の流量）よりも大きい。

本実施例による送液ポンプ１は、溶媒の圧力に依存する漏れと、溶媒の流量に依存する漏れと、溶媒の膨張を考慮し、これらの影響による溶媒の流量の変化を補正することで、流量精度の高い送液が可能である。

図５は、送液圧力Ｐ２に対する検出器４での溶媒の流量Ｑ０を模式的に示す図であり、溶媒の流量の補正によって、検出器４での溶媒の流量Ｑ０がどのように変化するかを模式的に示している。図５のグラフにおいて、線１～４は溶媒の流量が大きい場合（高流量の場合）を示し、線５～８は溶媒の流量が高流量の場合よりも小さい場合（低流量の場合）を示している。なお、既に述べたように、送液圧力Ｐ２は、送液ポンプ１の内部での溶媒の圧力であり、圧力センサ１１０で測定される圧力である。

破線１は、送液ポンプ１から吐出された溶媒の流量が基本流量Ｑｂの場合の検出器４での流量Ｑ０、すなわち溶媒の漏れがなく、流量の補正（溶媒の膨張による流量の変化の補正）が行われる前の検出器４での流量Ｑ０を示す。溶媒は、圧力が大きいほど、大きく圧縮されていて検出器４での膨張が大きい（検出器４での圧力は、大気圧にほぼ等しいＰ０である）。したがって、溶媒は、送液圧力Ｐ２が大きいほど、検出器４での流量Ｑ０が大きい。なお、送液圧力Ｐ２が大気圧に等しいときは、溶媒の圧縮と膨張がないために、検出器４での流量Ｑ０は基本流量Ｑｂである。

点線２は、溶媒に圧力に依存する漏れがあり、流量に依存する漏れがない場合の、流量の補正が行われる前の検出器４での流量Ｑ０を示す。点線２で示す流量は、圧力に依存する漏れの分だけ、破線１で示した流量よりも小さい。ただし、圧力に依存する漏れは、送液圧力Ｐ２が大気圧に等しいときには生じないので、送液圧力Ｐ２が大気圧に等しいときは、検出器４での流量Ｑ０は基本流量Ｑｂである。

一点鎖線３は、溶媒に圧力に依存する漏れと流量に依存する漏れの両方がある場合の、流量の補正が行われる前の検出器４での流量Ｑ０を示す。一点鎖線３で示す流量は、流量に依存する漏れの分だけ、点線２で示した流量よりも小さい。流量に依存する漏れは、圧力に依存せず、送液圧力Ｐ２が大気圧に等しいときでも生じる。このため、送液圧力Ｐ２が大気圧に等しいときの検出器４での流量Ｑ０は、基本流量Ｑｂに一致しない。

実線４は、検出器４での目標とする流量Ｑ０である目標流量を示す。実線４で示す目標流量は、一点鎖線３で示す流量に対して、溶媒の膨張と、溶媒の圧力に依存する漏れと、溶媒の流量に依存する漏れとによる流量の変化を補正した場合の流量である。目標流量の値は、予め設定しておくことができる。

破線５、点線６、一点鎖線７、及び実線８で示される流量は、線１～４で示された流量よりも小さいが、それぞれ破線１、点線２、一点鎖線３、及び実線４と同様の流量特性を示す。

本実施例による送液ポンプ１では、検出器４での流量Ｑ０が、送液圧力Ｐ２に対して目標流量で一定になるように、すなわち図５に実線４と実線８で示した流量特性となるように、コントローラ１０が第１プランジャ２１と第２プランジャ２２を駆動する。実線４と実線８で示した流量特性は、送液圧力Ｐ２ごとに基本流量Ｑｂを変えること（すなわち、溶媒の膨張と漏れによる流量の変化を補正すること）で得られる。

＜漏れの補正式＞
図５に一点鎖線３で示した流量特性を、式（３）で近似して表す。
Ｑ０＝ｅｘｐ（ｆ（Ｐ２））×（Ｑｂ－Ｃｌｅａｋｐ×Ｐ２－Ｃｌｅａｋｑ×Ｑｂ）
＋Ｑｏｆｆｓｅｔ （３）
式（３）において、Ｑ０は検出器４での流量、Ｐ２は送液圧力、ｆ（Ｐ２）は送液圧力Ｐ２に対する膨張率の関数（送液圧力Ｐ２での溶媒の体積に対する大気圧での溶媒の体積の比率）、Ｑｂは基本流量、Ｃｌｅａｋｐは圧力に依存する漏れに関する比例係数、Ｃｌｅａｋｑは流量に依存する漏れに関する比例係数、Ｑｏｆｆｓｅｔは近似式の調整係数である。

送液圧力Ｐ２は、圧力センサ１１０で測定される。関数ｆ（Ｐ２）で与えられる値には、文献に記載された値などの公知の値を用いてもよいし、実測して得られた値を用いてもよい。Ｑｏｆｆｓｅｔは、図４と図５を用いて説明した考え方に含まれない脈動などの影響や、流量の測定誤差などを調整して、流量の測定値を式（３）にフィッティングさせるためのパラメータである。

式（３）を変形して、
Ｑｂ＝Ｃ１×Ｑ０＋Ｃ０ （４）
とする。ただし、パラメータＣ１、Ｃ０は、
Ｃ１＝１／（（１－Ｃｌｅａｋｑ）×ｅｘｐ（ｆ（Ｐ２））） （５）
Ｃ０＝（１／（１－Ｃｌｅａｋｑ））
×（Ｃｌｅａｋｐ×Ｐ２－Ｑｏｆｆｓｅｔ／ｅｘｐ（ｆ（Ｐ２）） （６）
である。また、Ｃ１、Ｃ０が送液圧力Ｐ２に対して線形に変化するパラメータ（送液圧力Ｐ２の１次関数で表されるパラメータ）であるとすると、
Ｃ１＝Ｃ１ａ×Ｐ２＋Ｃ１ｂ （７）
Ｃ０＝Ｃ０ａ×Ｐ２＋Ｃ０ｂ （８）
と表される。

本実施例による送液ポンプ１では、コントローラ１０は、パラメータＣ１、Ｃ０と、目標とする検出器４での流量Ｑ０（すなわち目標流量）を用いて、式（４）から検出器４での目標流量（Ｑ０）に対する基本流量Ｑｂを求め、この基本流量Ｑｂを用いて式（１）、（２）から第１プランジャ２１の移動速度ｖ１と第２プランジャ２２の移動速度ｖ２を求め、求めた移動速度ｖ１と移動速度ｖ２でそれぞれ第１プランジャ２１と第２プランジャ２２を駆動する。パラメータＣ１、Ｃ０は、送液圧力Ｐ２に依存し、送液圧力Ｐ２を用いて求めることができる。

本実施例による送液ポンプ１では、送液圧力Ｐ２ごとにパラメータＣ１、Ｃ０、すなわち式（４）から得られる基本流量Ｑｂを変えることで、図５に実線４と実線８で示した流量特性（検出器４での流量Ｑ０が、送液圧力Ｐ２に対して目標流量で一定である流量特性）が得られる。本実施例による送液ポンプ１は、このようにして第１プランジャ２１と第２プランジャ２２を駆動して流量を補正することで、流量精度の高い送液が可能である。

パラメータＣ１とＣ０は、流量の補正に用いられるパラメータ（補正パラメータ）であり、送液圧力Ｐ２と検出器４での溶媒の流量Ｑ０との関係を表す式（式（３）を変形させた式（４））のパラメータである。補正パラメータＣ１、Ｃ０は、式（５）と式（６）にしたがって、又は式（７）と式（８）にしたがって設定される。すなわち、補正パラメータＣ１、Ｃ０は、求め方が２つある。コントローラ１０は、補正パラメータＣ１、Ｃ０を式（５）と式（６）で求める場合には、係数Ｃｌｅａｋｐ、Ｃｌｅａｋｑ、Ｑｏｆｆｓｅｔ、及び関数ｆ（Ｐ２）を記憶し、補正パラメータＣ１、Ｃ０を式（７）と式（８）で求める場合には、係数Ｃ１ａ、Ｃ１ｂ、Ｃ０ａ、及びＣ０ｂを記憶する。

式（５）～式（８）の各パラメータの値は、溶媒の物性（例えば、粘度や圧縮率など）によって変化する。コントローラ１０は、式（５）～式（８）の各パラメータの値を溶媒ごとに（例えばテーブルとして）記憶しておき、溶媒に応じてパラメータＣ１、Ｃ０の値を変更することができる。又は、コントローラ１０は、パラメータＣ１、Ｃ０を表す係数の値を溶媒の物性に対して関数化して記憶しておき、溶媒ごとにパラメータＣ１、Ｃ０の値を求め、溶媒に応じてパラメータＣ１、Ｃ０の値を変更することができる。

なお、式（３）のＣｌｅａｋｐとＣｌｅａｋｑとＱｏｆｆｓｅｔの求め方については、後述する。

＜圧力フィードバック＞
式（５）と式（６）（又は式（７）と式（８））に示すように、補正パラメータＣ１、Ｃ０は、送液圧力Ｐ２に依存する。送液圧力Ｐ２は、分離カラム３や配管の状態と、温度による溶媒の粘度の変化などによって変化する。このため、送液圧力Ｐ２に応じてパラメータＣ１、Ｃ０を調整し、調整したパラメータＣ１、Ｃ０に基づいて送液ポンプ１を駆動させることが望ましい。そこで、圧力センサ１１０の測定値をコントローラ１０にフィードバックさせて、コントローラ１０がパラメータＣ１、Ｃ０を再計算（調整）することが望ましい。

コントローラ１０は、送液圧力Ｐ２のフィードバックとして、送液ポンプ１が溶媒を吐出している間に、リアルタイム（実際はコントローラ１０の制御周期）で圧力センサ１１０から測定値（送液圧力Ｐ２）を入力する。コントローラ１０は、送液ポンプ１が溶媒を吐出している間に、このフィードバックで得られた送液圧力Ｐ２を用い、式（５）と式（６）（又は式（７）と式（８））に基づいてパラメータＣ１、Ｃ０を計算して求め、求めたＣ１、Ｃ０を用いて式（４）から目標流量（Ｑ０）に対する基本流量Ｑｂを算出し、この基本流量Ｑｂを用いて第１プランジャ２１と第２プランジャ２２の移動速度ｖ１、ｖ２を求めて第１プランジャ２１と第２プランジャ２２を駆動する。本実施例による送液ポンプ１は、このようにして、送液圧力Ｐ２が変化しても、検出器４での流量Ｑ０が目標流量で一定になるように調整することができる。

送液圧力Ｐ２のフィードバックは、任意のタイミングですることができ、例えば、上記のリアルタイムや、送液ポンプ１の駆動周期ごとにすることもできる。送液ポンプ１の駆動周期ごとにフィードバックを行うと、パラメータＣ１、Ｃ０を算出する時間間隔が大きくなるため、コントローラ１０の演算能力が低くても流量を容易に補正することができる。したがって、高価なコントローラ１０を使う必要がなくなり、装置コストを低くすることができる。

＜補正パラメータの決め方＞
式（５）と式（６）で表される補正パラメータＣ１、Ｃ０は、溶媒ごとに、複数の基本流量Ｑｂについて、送液圧力Ｐ２に対する検出器４での溶媒の流量Ｑ０を測定することで決定することができる。検出器４での溶媒の流量Ｑ０は、流量計８で測定することができる。なお、測定する基本流量Ｑｂの数が多いほど、補正パラメータＣ１、Ｃ０をより精度良く求めることができる。

図６Ａと図６Ｂは、送液圧力Ｐ２に対する検出器４での溶媒の流量Ｑ０の測定値の例を模式的に示す図である。本実施例では、一例として、基本流量Ｑｂが２通りの場合について説明する。図６Ａには、基本流量がＱｂ１の例を、図６Ｂには、基本流量がＱｂ２（＜Ｑｂ１）の例を、それぞれ示している。

図６Ａと図６Ｂに示すように、複数（本実施例では２通り）の基本流量Ｑｂ（Ｑｂ１、Ｑｂ２）に対して、横軸を送液圧力Ｐ２とし、縦軸を検出器４での流量Ｑ０として測定値をプロットし、流量特性線図を得る。そして、流量特性線図（図６Ａと図６Ｂ）を、膨張率の関数ｆ（Ｐ２）の値に文献などから求めた公知の値を用いて、式（３）にフィッティングさせることで、Ｃｌｅａｋｑ、Ｃｌｅａｋｐ、及びＱｏｆｆｓｅｔの値を求めることができる。Ｃｌｅａｋｑ、Ｃｌｅａｋｐ、及びＱｏｆｆｓｅｔの値は、例えば、流量特性線図の基本流量Ｑｂと送液圧力Ｐ２に対する流量Ｑ０の測定値を、数値最適化の手法を用いて式（３）にフィッティングさせることで求められる。そして、求めたこれらの値を、式（５）と式（６）に代入することで、パラメータＣ１、Ｃ０を求めることができる。

コントローラ１０は、以上に説明したように、圧力センサ１１０が測定した送液圧力Ｐ２と、流量計８が測定した検出器４での溶媒の流量Ｑ０との関係に基づいて、パラメータＣ１、Ｃ０を求めることができる。

コントローラ１０は、補正パラメータＣ１、Ｃ０を、次のようにして式（７）と式（８）から求めることもできる。

図７Ａは、送液圧力Ｐ２に対し、式（５）から得られたパラメータＣ１をプロットした例を模式的に示す図である。図７Ｂは、送液圧力Ｐ２に対し、式（６）から得られたパラメータＣ０をプロットした例を模式的に示す図である。なお、Ｃｌｅａｋｑ、Ｃｌｅａｋｐ、及びＱｏｆｆｓｅｔの値は、上記の方法で求めた。

図７Ａに示すプロット線を線形近似した直線を求めることで、式（７）のパラメータＣ１を表すパラメータＣ１ａとＣ１ｂを求めることができる。また、図７Ｂに示すプロット線を線形近似した直線を求めることで、式（８）のパラメータＣ０を表すパラメータＣ０ａとＣ０ｂを求めることができる。

検出器４での溶媒の流量Ｑ０を流量計８で測定して補正パラメータＣ１、Ｃ０を定める又は更新するタイミングは、任意に定めることができ、例えば、送液ポンプ１の組み立て直後（初期状態）、送液ポンプ１を使用箇所に設置した直後、及び使用箇所での送液ポンプ１の定期メンテナンスのときなどを挙げることができる。なお、送液ポンプ１が流量計８を備えない場合には、ユーザーが流量計８を設置して溶媒の流量Ｑ０を測定する。

コントローラ１０は、送液ポンプ１が流量計８を備える場合には、送液ポンプ１の稼働中に随時、補正パラメータＣ１、Ｃ０を更新することができる。

システム制御部７は、流量計８が測定した値を、自動又はユーザーによる入力で記録することができる。システム制御部７は、上述した演算によって各パラメータを算出し、コントローラ１０に入力することもできる。

また、ユーザーは、各パラメータの値をシステム制御部７に入力することもできる。

また、液体クロマトグラフ１００のシステムがインターネットなどのネットワーク環境に接続されている場合には、ユーザー又は装置メーカーが、流量計８の測定値又は各パラメータの値をネットワーク経由でシステム制御部７に入力することもできる。

以上説明したように、本実施例による送液ポンプ１は、溶媒の膨張と、溶媒の圧力に依存する漏れと、溶媒の流量に依存する漏れを考慮できて、目標流量に応じて基本流量Ｑｂを補正することができ、流量精度の高い送液が可能である。

なお、本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、上記の実施例は、本発明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、本発明は、必ずしも説明した全ての構成を備える態様に限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能である。また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、削除したり、他の構成を追加・置換したりすることが可能である。

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、６…合流点、７…システム制御部、８…流量計、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、６１…第１シール、６２…第２シール、７１、７２…軸受、８１…第１電磁弁、８２…第２電磁弁、９０…合流部、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、１１１…第１ポンプヘッド、１１２…第２ポンプヘッド、２００…液体クロマトグラフ、２１０…モータドライバ、２１１…第１電動モータ、２１２…第２電動モータ、２２１…減速装置、２２２…減速装置、２３１…直動装置、２３２…直動装置、３１０…パージバルブドライバ、３１１…パージバルブ、３１２…廃液タンク、４１０…電磁弁ドライバ、５１１…第１溶媒、５１２…第２溶媒、５１３…第３溶媒、５１４…第４溶媒、１００１、１００２…送液ポンプ。

Claims (4)

1. 液体を吐出する送液ポンプであって、
   移動可能な第１プランジャを備える第１プランジャポンプと、
   移動可能な第２プランジャを備え、前記第１プランジャポンプと接続された第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側に配置され、前記第２プランジャポンプから吐出された前記液体の圧力である送液圧力を測定する圧力センサと、
   前記圧力センサが測定した前記送液圧力を入力するとともに、前記第１プランジャの駆動と前記第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、前記送液圧力に依存するパラメータと、前記送液圧力と、前記液体の予め設定された流量である目標流量とを用いて、前記第１プランジャの移動速度と前記第２プランジャの移動速度を求め、
   前記パラメータは、前記送液圧力と前記液体の流量との関係を表す式のパラメータであるとともに、基本流量を前記液体の流量から求める式のパラメータであり、
   前記基本流量は、漏れがない場合に前記送液ポンプから吐出される、圧縮された状態の前記液体の流量である、
   ことを特徴とする送液ポンプ。
2. 前記制御部は、前記送液ポンプが前記液体を吐出している間に、前記圧力センサから前記送液圧力を入力して前記パラメータを計算して求め、求めた前記パラメータを用いて前記第１プランジャの移動速度と前記第２プランジャの移動速度を求める、
   請求項１に記載の送液ポンプ。
3. 前記パラメータは、前記送液圧力に対して線形に変化するパラメータである、
   請求項１に記載の送液ポンプ。
4. 前記液体の流量を測定する流量計を備え、
   前記制御部は、前記送液圧力と前記流量計が測定した流量との関係に基づいて、前記パラメータを求める、
   請求項１に記載の送液ポンプ。

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