特許 7503482 送液ポンプ及び送液方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-12

(45)【発行日】2024-06-20

(54)【発明の名称】送液ポンプ及び送液方法

(51)【国際特許分類】

   F04B 49/06 20060101AFI20240613BHJP

   F04B 23/06 20060101ALI20240613BHJP

   G01N 30/32 20060101ALI20240613BHJP

【ＦＩ】

F04B49/06 311

F04B23/06

G01N30/32 C

G01N30/32 A

【請求項の数】 13

(21)【出願番号】P 2020192248

(22)【出願日】2020-11-19

(65)【公開番号】P2022080997

(43)【公開日】2022-05-31

【審査請求日】2023-02-16

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテク

(74)【代理人】

【識別番号】110002572

【氏名又は名称】弁理士法人平木国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】塚田 修大

(72)【発明者】

【氏名】秋枝 大介

(72)【発明者】

【氏名】岩佐 翔

(72)【発明者】

【氏名】用田 祐介

(72)【発明者】

【氏名】橋本 雄一郎

【審査官】北村 一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－０５３０９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－０１３９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６７５３５３２（ＪＰ，Ｂ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ０４Ｂ ４９／００－５１／００

Ｆ０４Ｂ ９／００－１５／０８

Ｆ０４Ｂ ２３／００－２３／１４；５３／００－５３／２２

Ｇ０１Ｎ ３０／３２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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の前記第１プランジャの過去の圧縮距離と圧縮完了時の圧力とに基づいて、前記液体の圧力変化率を算出し、
前記圧力変化率と現在の吐出圧力とに基づいて、前記第１プランジャの圧縮距離を予測し、
前記予測した圧縮距離に基づいて、前記第１プランジャによる前記圧縮を完了するタイミングを決定することを特徴とする送液ポンプ。

【請求項2】

前記制御部は、
前記第１プランジャの変位が前記予測した圧縮距離より短い所定の距離を超える期間を、前記圧縮の完了を判定する期間とすることを特徴とする請求項１に記載の送液ポンプ。

【請求項3】

前記制御部は、
前記圧縮の完了を判定する期間において、前記吐出圧力の脈動が生じた場合に前記圧縮を停止することを特徴とする請求項２に記載の送液ポンプ。

【請求項4】

前記制御部は、
前記第１プランジャの変位が前記予測した圧縮距離となった場合に、前記圧縮を停止することを特徴とする請求項１に記載の送液ポンプ。

【請求項5】

前記制御部は、
流量が０のときに、前記第１プランジャの変位が前記予測した圧縮距離よりも短い所定の距離となった場合に前記圧縮を停止することを特徴とする請求項１に記載の送液ポンプ。

【請求項6】

前記制御部は、
前記流量が０となる前の前記第１プランジャの前記圧縮距離と前記圧縮完了時の圧力とに基づいて、前記圧力変化率を算出することを特徴とする請求項５に記載の送液ポンプ。

【請求項7】

前記制御部は、
前記現在の吐出圧力を前記圧縮の完了時の前記第１プランジャポンプ内の前記液体の圧力と推定して、前記圧縮距離を予測することを特徴とする請求項１に記載の送液ポンプ。

【請求項8】

前記制御部は、
前記圧縮の開始時の前記吐出圧力を前記現在の吐出圧力とすることを特徴とする請求項１に記載の送液ポンプ。

【請求項9】

前記制御部は、
前記圧縮の開始よりも前の前記吐出圧力を前記現在の吐出圧力とすることを特徴とする請求項１に記載の送液ポンプ。

【請求項10】

前記制御部は、
前記現在の吐出圧力の測定ごとに前記圧縮距離の前記予測を更新することを特徴とする請求項１に記載の送液ポンプ。

【請求項11】

前記制御部は、
前記圧縮が完了したと判定した後、前記第１プランジャを所定時間だけ停止することを特徴とする請求項１に記載の送液ポンプ。

【請求項12】

前記制御部は、
前記圧縮が完了したと判定した後、前記第１プランジャの速度を低下させて前記圧縮を継続することを特徴とする請求項１に記載の送液ポンプ。

【請求項13】

送液ポンプによる送液を制御する制御部により実行される送液方法であって、
前記送液ポンプは、
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、前記第２プランジャポンプの液体の吐出圧力を計測する圧力センサと、を有し、
前記制御部が、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の前記第１プランジャの過去の圧縮距離と圧縮完了時の圧力とに基づいて、前記液体の圧力変化率を算出することと、
前記制御部が、前記圧力変化率と現在の吐出圧力とに基づいて、前記第１プランジャの圧縮距離を予測することと、
前記制御部が、前記予測した圧縮距離に基づいて、前記第１プランジャによる前記圧縮を完了するタイミングを決定することと、を含むことを特徴とする送液方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、送液ポンプ及び送液方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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。

【0004】

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。また、圧縮が足らず吐出圧力に達せずに圧縮動作を終了する（圧縮不足）と、その後の工程で第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せず送液されない瞬間が生じるため、その間は吐出圧力が低減する。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。

【0005】

過圧縮若しくは圧縮不足を防ぐ技術として、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。

【0006】

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。

【0007】

特許文献３には、圧縮工程における圧縮体積と圧縮完了時の圧力（圧縮圧力）の履歴から流量を補正して制御する送液ポンプが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【文献】特許第５６２４８２５号

【文献】特開２００８－２９１８４８号公報

【文献】国際公開第２０１９／０８２２４３号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

また、特許文献３の送液ポンプにおいても、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。

【0012】

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。

【課題を解決するための手段】

【0013】

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の前記第１プランジャの過去の圧縮距離と圧縮完了時の圧力とに基づいて、前記液体の圧力変化率を算出し、前記圧力変化率と現在の吐出圧力とに基づいて、前記第１プランジャの圧縮距離を予測し、前記予測した圧縮距離に基づいて、前記第１プランジャによる前記圧縮を完了するタイミングを決定する。

【0014】

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。

【発明の効果】

【0015】

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。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】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。

【図2】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3】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。

【図4】第１の実施形態に係る第１プランジャの制御方法を説明するためのグラフである。

【図5】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。

【図6A】第１の実施形態に係る第１プランジャの制御方法を説明するためのグラフである。

【図6B】第１の実施形態に係る第１プランジャの制御方法を説明するためのグラフである。

【図7】第１の実施形態の変形例に係る第１プランジャの制御方法を説明するためのグラフである。

【図8】第２の実施形態に係る第１プランジャの制御方法を説明するためのグラフである。

【図9】第３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。

【図10】第３の実施形態に係る送液ポンプにおける流量変化を説明するためのグラフである。

【図11】第３の実施形態に係る第１プランジャの制御方法を説明するためのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0017】

［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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

＜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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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が上昇する区間ｂ１と、その後に停止する区間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ｂ１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場合は第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。区間ｂ１が完了するタイミングで、第１プランジャ２１の圧縮距離（圧縮工程（区間ｂ）における第１プランジャ２１の移動距離）が十分でなく、第１加圧室１１内の溶媒の圧力が吐出圧力に達していない（圧縮不足）場合は、区間ｃの開始時に吐出流量が瞬間的に小さくなり、それに伴い、吐出圧力も瞬間的に小さくなる。これらの過圧縮又は圧縮不足によって、吐出圧力に脈動が生じる。図２では、過圧縮が生じた場合の圧力脈動を示している。

【0038】

＜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。

【0039】

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、吐出圧力は圧力センサ１１０で測定できるが、第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１を測定する手段はない。

【0040】

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、第１プランジャ２１が停止すると大気圧となる。

【0041】

区間ｂ１において、コントローラ１０は、第１プランジャ２１を上昇させる。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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

なお、図３の例においては、吐出圧力は全体的に見て（脈動を除いて）略一定であるが、時間の経過とともに吐出圧力が上昇する（右肩上がりとなる）場合もある。

【0046】

＜圧縮完了のタイミングの判定方法＞
図４は、圧縮の完了が誤判定される場合を説明するための図である。図４の上図のグラフは、吐出圧力（実線）と第１加圧室１１内の溶媒の圧力（点線）を示しており、下図のグラフは第１プランジャ２１の変位と第２プランジャ２２の変位とを示している。以上で述べた区間ｂにおける圧縮完了の判定の方法では、圧縮の完了を誤って判定する場合がある。上述のように、区間ｂにおいて過圧縮に伴う脈動を検知したときに圧縮を完了したと判断し、第１プランジャ２１を停止させる。このとき、圧縮が完了する（第１プランジャ２１が上昇して、第１加圧室１１内の圧力が吐出圧力と同等になる）前に、例えばサンプル注入時のインジェクタ２の切り替えによる圧力脈動（いわゆる、インジェクションショック）のような送液ポンプ１にとって外乱となる脈動が生じると、第１加圧室１１内の溶媒の圧力Ｐ１１が十分に大きくなっていないにもかかわらず、第１プランジャ２１は停止してしまう（圧縮完了の誤判定）。その後、区間ｃの開始時に、第１プランジャ２１が上昇し、第２プランジャ２２が下降すると、吐出圧力が第１加圧室１１内の圧力まで低下し、大きな圧力低下が生じる。

【0047】

なお、図４の例においては、吐出圧力は全体的に見て（脈動を除いて）上昇している（右肩上がりである）が、吐出圧力は略一定となる場合もあるし、下降する（右肩下がりとなる）場合もある。

【0048】

そこで、本実施形態では、このような圧縮完了の誤判定を防ぐために、推測される第１加圧室１１内の圧力が、圧縮が始まる直前（圧縮開始時の）の吐出圧力Ｐｂ１よりもΔＰＡだけ低い圧力となるまでは圧縮判定をせず、その圧力を超えてから圧縮判定を開始する。その具体的な方法を以下に記す。

【0049】

図５は、複数の周期の圧縮完了時における第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５のグラフにおいて、各周期の区間ｂ２における圧縮完了時の吐出圧力（圧縮圧力Ｐｃ）を縦軸とし、圧縮完了時の第１プランジャ２１の移動距離（圧縮距離ｘｃ）を横軸としている。

【0050】

まず、コントローラ１０は、現在の周期を第ｎ周期として、１つ前の周期（第ｎ－１周期）の圧縮距離ｘｃ（ｎ－１）と、圧縮圧力Ｐｃ（ｎ－１）から、現在の周期の圧縮時の溶媒の圧力の変化率ｋ（ｎ）を以下の式（１）により算出する。

【0051】

ｋ（ｎ）＝Ｐｃ（ｎ－１）／（ｘｃ（ｎ－１）－ｘｃ０） …（１）

【0052】

式（１）は、図５に示した圧縮距離ｘｃと圧縮圧力Ｐｃの関係を示す以下の式（２）に基づく。

【0053】

Ｐｃ＝ｋ（ｘｃ－ｘｃ０） …（２）

【0054】

ここで、ｘｃ０は、シールからの漏れ等による第１プランジャ２１の移動距離に対する吐出圧力の上昇の遅れに相当する距離である。式（１）では変化率ｋを簡易的に求めるため、現在よりも１つ前の周期の圧縮距離ｘｃ（ｎ－１）と圧縮圧力Ｐｃ（ｎ－１）から変化率ｋを求めている。ｘｃ０の値は、予め測定して求め、コントローラ１０に記憶しておく。これによって、制御が単純になり、低コストのコントローラにより制御を実現できる。

【0055】

また、図５に示す圧縮距離ｘｃと圧縮圧力Ｐｃの関係を求めるために、現在の周期よりも前に様々な圧力で送液した履歴をコントローラ１０に記憶しておき、それらの点から圧縮距離ｘｃと圧縮圧力Ｐｃの関係を線形近似することによって、変化率ｋを求めてもよい。これによって、より正確に変化率ｋを算出できる。また、ｘｃ０は線形近似の際に自動的に求まり、ｘｃ０の起因となる圧力上昇の遅れの経時変化に追従することができる。

【0056】

圧縮が完了する際の第１加圧室１１内の溶媒の圧力を圧縮開始時の圧力Ｐｂ１（現在の吐出圧力）と推定した場合、その圧力よりもΔＰＡだけ低いときの第１プランジャ２１の変位ｘＡは、以下の式（３）で表すことができる。

【0057】

ｘＡ（ｎ）＝（Ｐｂ１（ｎ）－ΔＰＡ）／ｋ（ｎ）＋ｘｃ０ …（３）

【0058】

第１プランジャ２１の変位ｘＡは、圧縮が完了すると予測される第１プランジャ２１の変位よりも、所定の距離だけ短い変位ということができる。コントローラ１０は、式（３）に従って求めた第１プランジャ２１の変位ｘＡを境に、圧縮完了の判定をしない区間（非判定区間）と判定をする区間（判定区間）を定める。したがって、コントローラ１０は、第１プランジャ２１の変位がｘＡとなるまでは、脈動の有無にかかわらず圧縮が完了したかどうかの判定を行わず、第１プランジャ２１の変位がｘＡを超えたら、圧縮が完了したかどうかの判定を開始する。

【0059】

図６Ａは、第１の実施形態に係る圧縮完了の判定方法を説明するためのグラフである。図６Ａの上図のグラフは、吐出圧力（実線）と第１加圧室１１内の溶媒の圧力（点線）を示しており、下図のグラフは第１プランジャ２１の変位と第２プランジャ２２の変位とを示している。図６Ａに示すように、コントローラ１０は、式（３）に従って求めた第１プランジャ２１の変位ｘＡを境に、圧縮完了の判定をしない非判定区間ｂＮと判定をする判定区間ｂＤに分ける。非判定区間ｂＮで圧力の外乱による脈動が生じても圧縮は継続するため、圧縮完了の誤判定を防ぐことができる。

【0060】

図６Ｂは、第１の実施形態に係る圧縮完了の判定方法を説明するためのグラフであり、判定区間ｂＤにおいて外乱による脈動が生じた場合を示している。図６Ｂに示すように、判定区間ｂＤで外乱による圧力脈動が生じた場合、区間ｃ開始時の圧力低下の大きさは、最大でもΔＰＡと吐出圧力の変化分の和となるので、それよりも大きな圧力低下は防ぐことができる。

【0061】

式（３）では、圧縮完了時の圧力を圧縮開始時の吐出圧力Ｐｂ１としたが、これに代えて、圧縮開始よりも前（区間ａ）の圧力、すなわちコントローラ１０が吐出圧力の脈動をモニタしていないときの圧力とすれば、制御の処理を簡単にできるので、より低コストのコントローラにより制御を実現できる。また、吐出圧力Ｐｂ１に対して吐出圧力の変化を考慮して、圧縮完了時の圧力を予測してもよい。この場合、より正確に変位ｘＡを計算できる。さらに、吐出圧力Ｐｂ１の代わりに、現在の圧力に対して式（３）を常時計算して、変位ｘＡを随時更新してもよい。その場合、さらに正確に変位ｘＡを計算できる。

【0062】

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。

【0063】

＜第１の実施形態の変形例＞
図７は、第１の実施形態の変形例に係る第１プランジャ２１の制御方法を説明するためのグラフである。第１の実施形態では、圧縮が完了後、区間ｂ２において第１プランジャ２１を停止することを説明した。これに対し、本変形例では、図７の下のグラフに示すように、区間ｂ２において第１プランジャ２１を微上昇させる。換言すれば、コントローラ１０は、圧縮完了後、第１プランジャ２１の速度を低下させて圧縮を継続する。これにより、図７の上のグラフに示すように、区間ｃの開始時の圧力低下（脈動）を小さくすることができる。なお、本変形例の手法は、以下の実施形態にも適用できる。

【0064】

＜第１の実施形態のまとめ＞
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、過去の周期における圧縮完了時の圧縮圧力Ｐｃと第１プランジャ２１の圧縮距離ｘｃとに基づいて、溶媒の圧力の変化率ｋを算出し、圧力の変化率ｋと圧縮開始時の吐出圧力Ｐｂ１（現在の吐出圧力）とに基づいて、第１加圧室１１内の溶媒の圧力が吐出圧力Ｐｂ１よりΔＰＡだけ低くなるときの第１プランジャ２１の変位ｘＡ（予測される圧縮距離よりも短い所定の距離）を算出し、変位ｘＡに基づいて、圧縮完了を判定する期間（第１プランジャ２１による圧縮を完了するタイミング）を決定する。そして、第１プランジャ２１の変位がｘＡを超え、第１プランジャ２１を上昇させ、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を一旦停止するこれにより、圧縮完了を誤判定する確率が小さくなるとともに、誤判定する場合でもその結果生じる圧力脈動が小さくなる。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

［第２の実施形態］
第１の実施形態では、過圧縮による圧力脈動を検出して第１プランジャ２１による圧縮を停止することを説明した。そこで、第２の実施形態では、第１プランジャ２１の圧縮距離の予測値で圧縮を完了することで、圧縮判定に伴う圧力脈動を小さくする方法を提案する。

【0068】

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。

【0069】

＜圧縮完了のタイミングの判定方法＞
図８は、第２の実施形態に係る圧縮完了の判定方法を説明するためのグラフである。コントローラ１０は、式（１）の溶媒の圧力の変化率ｋ（ｎ）を求め、圧縮圧力を圧縮開始時の吐出圧力Ｐｂ１と推定して、圧縮を停止する第１プランジャ２１の変位ｘｃ’（圧縮距離の予測値）を、以下の式（４）により算出する。

【0070】

ｘｃ’（ｎ）＝Ｐｂ１（ｎ）／ｋ（ｎ）＋ｘｃ０ …（４）

【0071】

第１の実施形態の処理は、圧縮時に脈動が起こることを前提として圧縮完了を判定するものであるが、第２の実施形態では、第１プランジャ２１の変位がｘｃ’となるまで脈動がない場合に圧縮完了と判定する。これにより、圧縮完了時の脈動をより小さくすることができる。なお、圧縮開始時から第１プランジャ２１の変位がｘｃ’となるまでの間に吐出圧力に脈動があった場合は、コントローラ１０は、第１の実施形態と同様にして圧縮が完了したと判定することができる。

【0072】

式（４）では、圧縮完了時の圧力を圧縮開始時の吐出圧力Ｐｂ１としたが、これに代えて、圧縮開始よりも前（区間ａ）の圧力、すなわちコントローラ１０が吐出圧力の脈動をモニタしていないときの圧力とすれば、制御の処理を簡単にできるので、より低コストのコントローラにより制御を実現できる。また、吐出圧力Ｐｂ１に対して吐出圧力の変化を考慮して、圧縮完了時の圧力を予測してもよい。この場合、より正確に変位ｘｃ’を計算できる。さらに、吐出圧力Ｐｂ１の代わりに、現在の圧力に対して式（４）を常時計算して、変位ｘｃ’を随時更新してもよい。その場合、さらに正確に変位ｘｃ’を計算でき、結果として脈動を小さくすることができる。

【0073】

＜第２の実施形態のまとめ＞
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、過去の周期における圧縮完了時の圧縮圧力Ｐｃと第１プランジャ２１の圧縮距離ｘｃとに基づいて圧力の変化率ｋを算出し、圧力の変化率ｋと圧縮開始時の吐出圧力Ｐｂ１（現在の吐出圧力）とに基づいて、圧縮完了時の第１プランジャ２１の変位ｘｃ’（圧縮距離）を予測し、第１プランジャ２１の変位がｘｃ’（予測した圧縮距離）となった場合に、溶媒の圧縮が完了したと判定し、圧縮を停止する（変位ｘｃ’に基づいて、第１プランジャ２１による圧縮を完了するタイミングを決定する）。これにより、圧縮完了を誤判定する確率が小さくなるとともに、誤判定する場合でもその結果生じる圧力脈動が小さくなる。

【0074】

［第３の実施形態］
第１の実施形態では、圧縮完了の判定期間内に、過圧縮による圧力脈動を検出して第１プランジャ２１による圧縮を停止することを説明した。また、第２の実施形態では、圧縮距離の予測値となった時に第１プランジャ２１による圧縮を停止することを説明した。第３の実施形態では、圧縮判定に伴う圧力脈動を小さくする他の方法として、送液ポンプの流量が０の場合に、圧縮距離の予測値の直前で圧縮を停止する技術を提案する。

【0075】

＜液体クロマトグラフの構成例＞
図９は、第３の実施形態に係る送液ポンプ１００１及び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９に示すように、液体クロマトグラフ２００は、送液ポンプ１００１及び１００２、試料を液体クロマトグラフ２００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。送液ポンプ１００１及び１００２の具体的な構成は、それぞれ第１の実施形態の送液ポンプ１の構成と同様である。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。

【0076】

本実施形態の液体クロマトグラフ２００は、送液ポンプが２セット並列に接続された、いわゆる高圧グラジエントの構成である。送液ポンプ１００１及び１００２はそれぞれ別の溶媒を送液し（送液ポンプ１００１は溶媒５１１及び５１２を送液し、送液ポンプ１００２は溶媒５１３及び５１４を送液する）、それらが合流点６より下流で混合して分離カラム３に送液される。送液ポンプ１００１及び１００２の流量は、それぞれ分析項目に応じて適切に設定される。

【0077】

＜圧縮完了のタイミングの判定方法＞
図１０は、送液ポンプ１００１及び１００２における流量変化を説明するためのグラフである。図１０に示すように、片方の送液ポンプ（図１０では送液ポンプ１００１）の流量が０となる区間（時刻Ｂ～Ｃ）がある場合、その区間で送液ポンプ１００１が完全に停止していると、その内部の溶媒の圧力は大気圧となっている。すると、送液を再開するタイミング（時刻Ｃ）において溶媒の圧力が大気圧から吐出圧力まで上昇するまでは溶媒を送液することができず、送液ポンプ１００２側から送液ポンプ１００１側に向かって逆流し、結果として圧力の脈動が生じる。この脈動を防ぐために、流量が０の区間（時刻Ｂ～Ｃ）において、送液ポンプ１００１は、溶媒を吐出（送液）しないが圧縮はしておく必要がある。ただし、本実施形態では、送液ポンプ１００１の圧縮完了の直前で圧縮を停止することで、脈動の発生を防止する。

【0078】

図１１は、本実施形態に係る送液ポンプ１００１の第１プランジャ２１の制御方法を説明するためのグラフである。コントローラ１０は、第１の実施形態と同様に、式（１）の溶媒の圧力の変化率ｋ（ｍ）を求める。なお、変化率ｋを求める周期は、流量が０となる区間（図１０の時刻Ｂ～Ｃ）よりも前の第ｍ周期とする（例えば、図１０の時刻Ａまでのタイミングを含む周期）。また、コントローラ１０は、圧縮圧力を圧縮開始時の吐出圧力Ｐｂ１と推定して、圧縮を停止する第１プランジャ２１の変位ｘＤを、以下の式（５）により算出する。

【0079】

ｘＤ（ｎ）＝（Ｐｂ１（ｎ）－ΔＰＤ）／ｋ（ｍ）＋ｘｃ０ …（５）

【0080】

ここで、ΔＰＤは圧縮圧力の推定値と圧縮を停止する圧力との差分である。ΔＰＤは、予め行った実験により定めることができ、例えば、吐出圧力Ｐｂ１の５％～１０％の値とすることができる。Ｐｂ１－ΔＰＤの値が吐出圧力Ｐｂ１の値に近ければ近いほど、送液を再開するタイミング（時刻Ｃ）の脈動を小さくすることができる。

【0081】

式（５）では、圧縮完了時の圧力を圧縮開始時の吐出圧力Ｐｂ１としたが、これに代えて、圧縮開始よりも前（区間ａ）の圧力、すなわちコントローラ１０が吐出圧力の脈動をモニタしていないときの圧力とすれば、制御の処理を簡単にできるので、より低コストのコントローラにより制御を実現できる。また、吐出圧力Ｐｂ１に対して吐出圧力の変化を考慮して、圧縮完了時の圧力を予測してもよい。この場合、より正確に変位ｘＤを計算できる。さらに、吐出圧力Ｐｂ１の代わりに、現在の圧力に対して式（５）を常時計算して、変位ｘＤを随時更新してもよい。その場合、さらに正確に変位ｘＤを計算でき、その結果、脈動を小さくすることができる。

【0082】

＜第３の実施形態のまとめ＞
以上のように、本実施形態の送液ポンプ１００１は、流量が０のとき、流量が０となる前の過去の周期における圧縮完了時の圧縮圧力Ｐｃと第１プランジャ２１の圧縮距離ｘｃとに基づいて圧力の変化率ｋを算出し、圧力の変化率ｋと圧縮開始時の吐出圧力Ｐｂ１（現在の吐出圧力）とに基づいて、第１加圧室１１内の溶媒の圧力が吐出圧力Ｐｂ１よりΔＰＤだけ低くなるときの第１プランジャ２１の変位ｘＤ（予測される圧縮距離よりも短い所定の距離）を算出し、第１プランジャ２１の変位がｘＤとなった場合に、溶媒の圧縮を完了（停止）する（変位ｘＤに基づいて、第１プランジャ２１による圧縮を完了するタイミングを決定する）。これにより、送液を再開するタイミングの脈動を小さくすることができる。

【0083】

［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。

【符号の説明】

【0084】

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

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】