JP7088416B2

JP7088416B2 - 送液ポンプ及び液体クロマトグラフ

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Publication number: JP7088416B2
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Inventors: 潤柳林
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Description

本発明は、高速液体クロマトグラフなどの分析装置において用いられる送液ポンプ、及び、その送液ポンプを備えた液体クロマトグラフに関する。

液体クロマトグラフでは、水や有機溶媒などの移動相が送液ポンプによって分析流路中を高圧送液される。分析対象となるサンプルは、サンプルインジェクタによって移動相へ導入及び混合され、分離カラムへ移送される。分離カラムでは、サンプル中の各成分物質が分離カラム及び移動相との親和性に依存して異なる時間だけ保持されたのち、分離カラムから溶出される。順次、分離カラムから溶出された各成分物質は、検出器で検出される。検出器を通り過ぎた移動相及び各成分物質はドレインへ排出される。検出器で得られた信号はデータ処理装置に転送され、各成分物質の定性処理や定量処理が実施される。

液体クロマトグラフなどの分析装置における移動相の送液方式には、アイソクラティック方式、低圧グラジエント方式、高圧グラジエント方式といった方式が存在する。アイソクラティック方式は、１種類の移動相を１台の送液ポンプによって送液する方式である。低圧グラジエント方式は、比例電磁弁と１台の送液ポンプを用いて複数種類（通常は最大で４種類）の移動相を順次送液することで、所望の移動相組成を実現する方式である。高圧グラジエント方式は、複数種類（通常は最大で２種類）の移動相のそれぞれに１台の送液ポンプを対応させ、各送液ポンプの出口（かつサンプルインジェクタの前）で移動相を合流させることで、所望の移動相組成を実現する方式である。特に、１台で２種類の移動相による高圧グラジエント方式の送液を実現できる送液装置は、バイナリポンプと呼ばれている。

液体クロマトグラフでは、移動相を所望の組成に制御することは、分析結果の信頼性を担保する上で必須の要求である。特に、高圧グラジエント方式では、送液ポンプの流量安定性は移動相組成の再現性に直接的に影響を与える。また、検出器の種類によっては、移動相の組成や圧力などの脈動がノイズとなって感知されてしまう場合もある。

これらの理由から、液体クロマトグラフの送液ポンプには、高い流量安定性（低脈動性能）が求められてきた。液体クロマトグラフで利用される低流量（例えば数ｍＬ／ｍｉｎ以下）を高圧（例えば数十ＭＰａ）で送液するために、送液ポンプとしてプランジャポンプが一般的に採用されている。そして、単一のプランジャポンプでは送液が間欠的になってしまうため、２つのプランジャポンプを直列又は並列に接続して相補的に動作させるダブルプランジャ方式の送液ポンプがよく用いられている。

ＵＳ５６３７２０８ＡＵＳ２０１２／２１６８８６Ａ１ＵＳ２０１０／２７５６７８Ａ１ＵＳ２００８／２０６０６７Ａ１ＵＳ５６６４９３７Ａ

ダブルプランジャ方式の送液ポンプでは、少なくとも一方のプランジャポンプにおいて、液の吸引行程が完了した後、ポンプ室内の圧力をシステム圧力又はその近傍の圧力にまで上昇させる予圧行程が行われる。この予圧行程においてポンプ室内の予圧が不十分であるとその後の吐出行程の際に送液流量が欠損し、逆に、予圧が過剰になると送液流量も過剰となり、いずれの場合にも送液安定性が損なわれる。このような問題を解決するため、予圧行程中のポンプ室内の圧力を測定し、システム圧力の測定値と比較することで、予圧行程におけるプランジャの動作を正確に制御する技術が開示されている（特許文献１参照。）。

送液ポンプの送液安定性を損なう副次的な要因として、送液ポンプ内の移動相の温度が非平衡・非定常であることが挙げられる。移動相は吸引行程において室温であるが、予圧行程において断熱的に圧縮されることで昇温し、その後の吐出行程においてポンプヘッドや配管などの周囲の部材と熱交換することで冷却される。このような移動相の周期的な温度変化は、熱膨張を通じて送液流量の周期的な変動として現れる。このような現象は、熱効果脈動と呼ばれる。これを解決する方法として、送液周期の特定の区間（主に、予圧行程を行なったプランジャポンプの吐出行程中の区間）においてのみ送液ポンプの送液動作を定圧制御して熱補償することが提案されている（特許文献２－５参照。）。

本発明は、熱効果脈動を抑制するための定圧制御の精度を向上させ、送液精度を高めることを目的とするものである。

本発明に係る送液ポンプは、１次プランジャポンプと、前記１次プランジャポンプの下流に直列に流体接続された２次プランジャポンプと、前記２次プランジャポンプの出口から送出される移動相の圧力をシステム圧力として検出する圧力センサと、を備え、前記１次プランジャポンプが吐出動作を行なう１次吐出行程と前記２次プランジャポンプが吐出動作を行なう２次吐出行程を交互に連続的に実行する送液ポンプである。当該送液ポンプは、前記１次吐出行程及び前記２次吐出行程からなる送液周期のうち、前記１次吐出行程が実行される区間を第１定圧制御区間、前記２次吐出行程が実行される区間のうちの一部の区間であって前記第１定圧制御区間の後に連続する区間を含む区間を第２定圧制御区間とし、前記第１定圧制御区間において第１定圧制御を実行し、前記第２定圧制御区間において第２定圧制御を実行するように構成された送液制御部と、前記２次吐出行程が実行される区間のうち前記第２定圧制御区間以外の区間における前記システム圧力を基準に前記第１定圧制御及び前記第２定圧制御のための目標圧力を設定するように構成された目標圧力設定部と、を備え、前記第１定圧制御は、前記１次プランジャポンプの吐出流量から前記２次プランジャポンプの吸入流量を差し引いた流量である合成流量の操作量を第１の式を用いて計算し、計算した前記操作量だけ前記合成流量を増減させるように前記１次プランジャポンプ及び／又は前記２次プランジャポンプの動作速度を調節する制御であり、前記第２定圧制御は、第２の式を用いて前記２次プランジャポンプの吐出流量の操作量を計算し、計算した前記操作量だけ前記２次プランジャポンプの吐出流量を増減させるように前記２次プランジャポンプの動作速度を調節する制御であり、前記第１の式は、前記目標圧力と前記システム圧力との差である圧力偏差の比例項及び積分項を少なくとも含んでおり、前記第２の式は、前記圧力偏差の比例項を少なくとも含み、かつ、前記圧力偏差の積分項の寄与度が前記第１の式よりも小さい。

上記のように、本発明が対象としている送液ポンプは、２台のプランジャポンプ（１次プランジャポンプと２次プランジャポンプ）が互いに直列に流体接続され、１次プランジャポンプが吐出動作を行なう１次吐出行程と２次プランジャポンプが吐出動作を行なう２次吐出行程を交互に連続的に実行する直列型ダブルプランジャ方式の送液ポンプである。このような送液ポンプでは、１次プランジャポンプの予圧行程中の移動相の発熱に起因する流量欠損によって熱効果脈動が発生するため、１次吐出行程中にのみシステム圧力を一定に維持する定圧制御を実行すれば熱効果脈動を抑制できるようにも考えられる。しかし、１次吐出行程が実行される区間でのみ定圧制御を実行すると、１次吐出行程の後に連続する区間（２次吐出行程）での圧力が迅速に安定しないという問題があることがわかった。そこで、本発明では、１次吐出行程が実行される区間を第１定圧制御区間、２次吐出行程が実行される区間のうちの一部の区間であって第１定圧制御区間の後に連続する区間を含む区間を第２定圧制御区間とし、第１定圧制御区間及び第２定圧制御区間において定圧制御を実行する。

ここで、システム圧力をある目標圧力に維持する定圧制御の方式として、システム圧力と目標圧力との差である圧力偏差の比例項（Ｐ）及び積分項（Ｉ）を含むＰＩ制御又はＰＩＤ制御（Ｄは微分項）が一般的である。１次吐出行程から２次吐出行程へ移行すると、１次プランジャポンプの予圧行程中の移動相の発熱に起因する流量欠損は収束する。そうであるにも拘わらず、第１定圧制御区間及び第２定圧制御区間においてＰＩ制御又はＰＩＤ制御を一律に実行すると、第１定圧制御区間の後に連続する区間で積分項（Ｉ）の寄与が過剰になり、システム圧力のオーバーシュートが発生することがわかった。

本発明では、上記問題を解決するために、第１定圧制御区間において第１の式を用いた第１定圧制御を実行し、第２定圧制御区間において第２の式を用いた第２定圧制御を実行し、第２の式における積分項の寄与度を第１の式における積分項の寄与度よりも小さくする。

本発明に係る液体クロマトグラフは、試料を個々の成分に分離するための分離カラムと、前記分離カラムに通じる分析流路と、前記分析流路中で移動相を送液するための上述の送液ポンプと、前記分離カラムの上流において、前記分析流路を流れる移動相中に試料を注入する試料注入部と、前記分離カラムの下流に流体接続され、前記分離カラムにおいて分離された試料成分を検出するための検出器と、を備えている。

本発明に係る送液ポンプでは、１次吐出行程が実行される区間を第１定圧制御区間、２次吐出行程が実行される区間のうちの一部の区間であって第１定圧制御区間の後に連続する区間を含む区間を第２定圧制御区間とし、第１定圧制御区間において第１の式を用いた第１定圧制御を実行し、第２定圧制御区間において第２の式を用いた第２定圧制御を実行し、第２の式における積分項の寄与度を第１の式における積分項の寄与度よりも小さくしたので、熱効果脈動を抑制するための定圧制御の精度を向上させ、送液精度を高めることができる。

本発明に係る液体クロマトグラフでは、上述の送液ポンプを備えているので、移動相の送液精度が向上し、分析の再現性が向上する。

送液ポンプを備えた液体クロマトグラフの一例を示す概略構成図である。送液ポンプの一実施例を示す概略構成図である。同実施例の各送液ポンプの１次プランジャポンプと２次プランジャポンプの動作サイクルを説明するためのフローチャートである。熱効果脈動のメカニズムを説明するための各種プロファイルである。同実施例の送液ポンプの１次プランジャポンプ及び２次プランジャポンプのポンプヘッド部分の断面構成図である。同実施例における送液ポンプの定圧制御区間を説明するための概念図である。同実施例において実行される定圧制御について説明するためのフローチャートである。定圧制御による圧力変動の抑制効果の検証結果を示すシステム圧力データである。送液ポンプの他の実施例を示す概略構成図である。第１の式における成形係数の時間変化の一例を示すグラフである。改良された定圧制御による圧力変動の抑制効果の検証結果を示すシステム圧力データである。

以下、図面を参照しながら本発明に係る送液ポンプ及び液体クロマトグラフの実施形態について説明する。

まず、図１を用いて液体クロマトグラフの一実施例について説明する。

液体クロマトグラフは、分析流路１００中で移動相を送液するためのバイナリポンプ１を備えている。バイナリポンプ１は、２台の送液ポンプ２Ａ及び２Ｂ（図２を参照）を備えており、送液ポンプ２Ａ及び２Ｂのそれぞれによって２種類の移動相を予め設定された比率で送液することができる。分析流路１００上には、ミキサ１０２、試料注入部１０４、分離カラム１０６及び検出器１０８が設けられている。なお、ミキサ１０２は、バイナリポンプ１の構成要素の一部であってもよい。

バイナリポンプ１によって送液される２種類の移動相はミキサ１０２において混合された後、分析流路１００中を流れる。試料注入部１０４は、分析流路１００を流れる移動相中に試料を注入する。試料注入部１０４により移動相中に注入された試料は分離カラム１０６に導入され、試料中に含まれる各成分が時間的に分離され、順に分離カラム１０６から溶出する。分離カラム１０６から順に溶出した各成分が検出器１０８により検出される。

図２にバイナリポンプ１の概略的構成を示す。

バイナリポンプ１は、２台の送液ポンプ２Ａ，２Ｂ、切替バルブ４及びコントローラ１０を備えている。送液ポンプ２Ａは流路６Ａを介して切替バルブ４のポートａに接続されており、送液ポンプ２Ｂは流路６Ｂを介して切替バルブ４のポートｄに接続されている。

切替バルブ４はａ～ｆの６つのポートを備えている。ポートｂ及びｃにはドレインに通じる流路が接続されており、ポートｅ及びｆはミキサ１０２（図１参照）へ通じる流路が接続されている。切替バルブ４は、送液ポンプ２Ａ及び／又は２Ｂをミキサ１０２へ流体接続した状態（図２の状態）、送液ポンプ２Ａ及び２Ｂのいずれか一方をドレインへ流体接続した状態に切り替えることができる。

送液ポンプ２Ａと２Ｂは同等の構成を有するものであり、直列に接続された２台のプランジャポンプが相補的に動作することによって連続的な送液を実現する。

送液ポンプ２Ａは１次プランジャポンプ８Ａ及び２次プランジャポンプ９Ａを備えている。１次プランジャポンプ８Ａのプランジャ８１Ａ（以下、一次プランジャ８１Ａ）はモータ８２Ａによって駆動され、２次プランジャポンプ９Ａのプランジャ９１Ａ（以下、２次プランジャ９１Ａ）はモータ９２Ａによって駆動される。１次プランジャポンプ８Ａのポンプ室８４Ａへの入口部にチェック弁８３Ａが設けられ、ポンプ室８４Ａからの出口部に１次圧力センサ８５Ａが設けられている。１次プランジャポンプ８Ａのポンプ室８４Ａの出口と２次プランジャポンプ９Ａのポンプ室９４Ａの入口との間にチェック弁９３Ａが設けられ、ポンプ室９４Ａからの出口部に２次圧力センサ９５Ａが設けられている。１次圧力センサ８５Ａは１次プランジャポンプ８Ａのポンプ室８４Ａ内の圧力を検出するためのものであり、２次圧力センサ９５Ａは送液ポンプ２Ａによる送液圧力を検出するためのものである。送液ポンプ２Ａがミキサ１０２に接続されている状態において、送液ポンプ２Ａによる送液圧力は分析流路１００内のシステム圧力にほぼ等しい。したがって、２次圧力センサ９５Ａはシステム圧力を検出するシステム圧力センサを構成する。

送液ポンプ２Ｂは１次プランジャポンプ８Ｂ及び２次プランジャポンプ９Ｂを備えている。１次プランジャポンプ８Ｂのプランジャ８１Ｂ（以下、１次プランジャ８１Ｂ）はモータ８２Ｂによって駆動され、２次プランジャポンプ９Ｂのプランジャ９１Ｂ（２次プランジャ９１Ｂ）はモータ９２Ｂによって駆動される。１次プランジャポンプ８Ｂのポンプ室８４Ｂへの入口部にチェック弁８３Ｂが設けられ、ポンプ室８４Ｂからの出口部に１次圧力センサ８５Ｂが設けられている。１次プランジャポンプ８Ｂのポンプ室８４Ｂの出口と２次プランジャポンプ９Ｂのポンプ室９４Ｂの入口との間にチェック弁９３Ｂが設けられ、ポンプ室９４Ｂからの出口部に２次圧力センサ９５Ｂが設けられている。１次圧力センサ８５Ｂは１次プランジャポンプ８Ｂのポンプ室８４Ｂ内の圧力を検出するためのものであり、２次圧力センサ９５Ｂは送液ポンプ２Ｂによる送液圧力を検出するためのものである。送液ポンプ２Ｂがミキサ１０２に接続されている状態において、送液ポンプ２Ｂによる送液圧力は分析流路１００内のシステム圧力にほぼ等しい。したがって、２次圧力センサ９５Ｂはシステム圧力を検出するシステム圧力センサを構成する。

送液ポンプ２Ａ及び２Ｂの動作はコントローラ１０によって制御される。コントローラ１０は、中央演算装置（ＣＰＵ）や情報記憶装置等を備えた専用のコンピュータ又は汎用のパーソナルコンピュータによって実現される。コントローラ１０は、動作状態認識部１２、送液制御部１４及び目標圧力設定部１６を備えている。動作状態認識部１２、送液制御部１４及び目標圧力設定部１６は、情報記憶装置に格納されたプログラムがＣＰＵによって実行されることにより実現される機能である。

動作状態認識部１２は、各プランジャポンプ８Ａ、９Ａ、８Ｂ及び９Ｂを駆動するモータ８２Ａ、９２Ａ、８２Ｂ及び９２Ｂに与えられた駆動用信号に基づいて、各送液ポンプ２Ａ及び２Ｂが実行している行程、及び、プランジャ８１Ａ、９１Ａ、８１Ｂ、９１Ｂの位置を各送液ポンプ２Ａ及び２Ｂの動作状態として認識するように構成されている。

送液制御部１４は、動作状態認識部１２により認識される各送液ポンプ２Ａ及び２Ｂの動作状態に基づいて、各送液ポンプ２Ａ及び２Ｂが設定された流量で連続的な送液を行なうように、各プランジャポンプ８Ａ、９Ａ、８Ｂ及び９Ｂの動作制御を行なう。動作制御部１４は、各プランジャポンプ８Ａ、９Ａ、８Ｂ及び９Ｂを以下に説明するサイクルで動作させる。

送液ポンプ２Ａ及び２Ｂの動作サイクルについて図２とともに図３のフローチャートを用いて説明する。なお、送液ポンプ２Ａと２Ｂの動作サイクルは同じであるため、ここでは送液ポンプ２Ａについてのみ説明する。

送液ポンプ２Ａは、１次プランジャポンプ８Ａが吐出動作を行なう１次吐出行程と２次プランジャポンプ９Ａが吐出動作を行なう２次吐出行程とを交互に連続的に実行することで連続的な送液を実現する。１次吐出行程においては、１次プランジャポンプ８Ａと２次プランジャポンプ９Ａの合成流量、すなわち、１次プランジャポンプ８Ａの吐出流量から２次プランジャポンプ９Ａの吸引流量を差し引いた流量が、送液ポンプ２Ａの送液流量となる。一方で、２次吐出行程においては、２次プランジャポンプ９Ａの吐出流量が送液ポンプ２Ａの送液流量となる。

２次プランジャポンプ９Ａが２次吐出行程を開始すると（ステップ２０１）、１次プランジャポンプ８Ａは吸引行程を開始し（ステップ１０１）、吸引行程が終了すると（ステップ１０２）、第１予圧行程を開始する（ステップ１０３）。第１予圧行程では、１次圧力センサ８５Ａによって検出されるポンプ室８４Ａ内の圧力を、大気圧よりも高く、２次圧力センサ９５Ａによって検出されるシステム圧力よりも第１の規定値だけ低い圧力にまで上昇させる。第１の規定値は、システム圧力の５０％以下（例えば、２０％、１０％、５％、２％）の値である。ここで、この実施例においては、「吸引行程」には、１次プランジャ８１Ａが上死点において一時的に停止する上死点待機行程、及び１次プランジャ８１Ａが下死点において一時的に停止する下死点待機行程が含まれる。なお、上死点待機行程及び下死点待機行程は必須の行程ではない。

１次プランジャポンプ８Ａは、第１予圧行程が終了した後（ステップ１０４）、待機行程に移行する（ステップ１０５）。待機行程では、第１プランジャ８１Ａの動作をほぼ停止させ、ポンプ室８４Ａ内の圧力を第１予圧行程終了時の圧力に維持する。この待機行程は、例外的な場合を除いて、２次プランジャ９１Ａが所定位置に達するまで続行される。例外的な場合とは、送液ポンプ２Ａと２Ｂの１次吐出行程の実行時間帯が互いに重ならないように待機行程の実行時間が短縮される場合である。２次プランジャ９１Ａが所定位置に達すると、１次プランジャポンプ８Ａは待機行程を終了して第２予圧行程に移行する（ステップ１０７）。第２予圧行程では、１次プランジャポンプ８Ａを吐出動作させ、ポンプ室８４Ａ内の圧力を上昇させる。ポンプ室８４Ａ内の圧力がシステム圧力よりも第２の規定値だけ低い圧力に達すると、第２予圧行程から１次吐出行程へ遷移する（ステップ１０８）。このとき、２次プランジャポンプ９Ａは、２次吐出行程を終了させ（ステップ２０２）、吸引行程に移行する（ステップ２０３）。ここで、第２の規定値は、システム圧力の５％以下（例えば、２％、１％、０．５％、０．２％）の値である。１次プランジャポンプ８Ａの１次吐出行程が終了すると（ステップ１０９）、２次プランジャポンプは吸引行程を終了して２次吐出行程へ移行する（ステップ２０４、２０１）。

以上のように、送液ポンプ２Ａ及び２Ｂは、２次プランジャポンプ９Ａ、９Ｂが２次吐出行程を実行している間に、１次プランジャポンプ８Ａ、８Ｂが吸引行程、第１予圧行程、待機行程及び第２予圧行程を実行する。

ここで、各送液ポンプ２Ａ及び２Ｂの予圧行程（第１予圧行程及び第２予圧行程）に起因して発生する熱効果脈動について、図４の熱効果プロファイルを用いて説明する。以下の説明では、送液ポンプ２Ａの１次プランジャポンプ８Ａを例に挙げて説明するが、送液ポンプ２Ｂの１次プランジャポンプ８Ｂについても同様である。図４において、最上段は１次プランジャ８１Ａの速度プロファイルであり、上から２段目は１次プランジャポンプ８Ａのポンプ室８４Ａ内の移動相の温度プロファイルである。上から３段目及び４段目はそれぞれ、ポンプ室８４Ａ内の移動相の発熱量と放熱量のプロファイルであり、上から５段目は、ポンプ室８４Ａ内の実効体積のプロファイルである。実効体積のプロファイルは、熱効果脈動に関係する１次吐出行程の区間でのみ表示している。上から６段目は、１次プランジャポンプ８Ａによる送液流量の欠損量のプロファイルであり、最下段は、システム圧力のプロファイルである。

１次プランジャポンプ８Ａが吸引行程を実行している間、ポンプ室８４Ａ内の移動相温度（Ｔ）は室温に等しい。ここで移動相温度（Ｔ）は，室温にあるときをゼロと定義する。第１予圧行程が開始されると、１次プランジャポンプ８Ａのポンプ室８４Ａ内での移動相の圧縮により移動相温度（Ｔ）は上昇する。この過程において、移動相の発熱量は、単位時間当たりの圧力上昇の大きさに比例し、１次プランジャ８１Ａの速度プロファイルと相似形となる。一方で、移動相から１次プランジャポンプ８Ａのポンプヘッドへの放熱量は移動相温度（Ｔ）に比例する。移動相温度（Ｔ）は、移動相の発熱量と放熱量のバランスによって決定される。

待機行程においては、移動相の圧縮と発熱はほぼ停止するため、放熱が優勢となり、移動相温度（Ｔ）は低下する。第２予圧行程においては、１次プランジャポンプ８Ａのポンプ室８４Ａ内おいて再び移動相が圧縮されるため、移動相温度（Ｔ）は上昇する。その後の１次吐出行程においては、移動相は圧縮されないので、放熱が優勢となり、移動相温度（Ｔ）は低下する。また、１次プランジャポンプ８Ａのポンプ室８４Ａから吐出された移動相は、圧力センサ８５Ａ及び配管を流れる際に室温にまで冷却される。

ここで、１次プランジャポンプ８Ａ及び２次プランジャポンプ９Ａのポンプヘッド部分の断面構造を示した図５を参照して説明すると、１次プランジャポンプ８Ａの予圧行程（第１予圧行程及び第２予圧行程）では、１次プランジャポンプ８Ａの入口部に設けられたチェック弁８３Ａから２次プランジャポンプ９Ａの入口部に設けられたチェック弁９３Ａまでの間に存在する移動相が圧縮される。しかし、圧縮による温度上昇を考慮する必要があるのは、１次プランジャポンプ８Ａのポンプ室８４Ａ内の破線で囲われた部分に存在する移動相だけである。その他の部分に存在する移動相は、流路壁面までの距離が短いため、相対的に短時間で（小さな時定数で）冷却され、温度平衡に達しやすいためである。以下では、圧縮による温度上昇を考慮する必要がある部分の体積を実効体積Ｖ_ＥＦＦと称する。移動相の熱膨張率をβ、移動相の温度上昇をＴとすれば、ポンプ室８４Ａに蓄えられている（又は残されている）熱膨張体積は、βＴＶ_ＥＦＦと表すことができる。このことから、熱効果によって生じる送液ポンプ２Ａの送液流量の欠損量Ｑ_ＴＥは、次式にように表すことができる。

上記式から、移動相温度Ｔの低下（自然冷却）及び実効体積Ｖ_ＥＦＦの減少（強制冷却）の両方が熱効果による送液流量の欠損量Ｑ_ＴＥに転換されることがわかる。このような送液流量の欠損が存在すると、図４の最下段のシステム圧力プロファイル（やや誇張して示している）のように、システム圧力が周期的に変動する。これが熱効果脈動の発生メカニズムである。

図４の下から２段目の送液流量の欠損量のプロファイルからわかるように、送液流量の欠損量が発生するのは１次吐出行程に限られる。このような送液流量の欠損を補償するため、送液ポンプ２Ａ及び２Ｂのそれぞれについて、１次吐出行程が実行される区間を含む区間（定圧制御区間）において定圧制御が実行される。定圧制御とは、システム圧力が予め設定された目標圧力となるように１次プランジャ及び／又は２次プランジャの動作速度を制御することをいう。具体的には、目標圧力とシステム圧力との差である圧力偏差を用いて対象となる送液ポンプ２Ａ又は２Ｂの送液流量の操作量を計算し、対象となる送液ポンプ２Ａ又は２Ｂの１次プランジャポンプ及び２次プランジャポンプの合成流量を計算した操作量だけ増減させるように、１次プランジャ及び／又は２次プランジャの動作速度を制御する。

送液制御部１４は、図６に示されているように、１次吐出行程が実行される区間を第１定圧制御区間、２次吐出行程が実行される区間のうちの一部の区間であって第１定圧制御区間の後に連続する区間を第２定圧制御区間とし、第１定圧制御区間において第１定圧制御を実行し、第２定圧制御区間において第２定圧制御を実行するように構成されている。第１定圧制御は、システム圧力Ｐ_ｓｙｓと目標圧力Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}との偏差（以下、圧力偏差Ｐ_ｅ）の積分項Ｉ_ｅを含む第１の式を用いて送液流量の操作量Ｑ_ＴＣを計算する制御である。第２定圧制御は、積分項Ｉ_ｅを含まないか、含んでいても計算結果に対する積分項Ｉ_ｅの寄与度が第１の式よりも小さい第２の式を用いて送液流量の操作量Ｑ_ＴＣを計算する制御である。

なお、この実施例では、２次吐出行程が実行される区間のうちの一部の区間であって第１定圧制御区間の後に連続する区間のみを第２定圧制御区間としているが、第１定圧制御区間の前に連続する区間も第２定圧制御区間に含めてもよい。これにより、第２予圧行程でポンプ室８４Ａ内の圧力がシステム圧力よりも高くなり、システム圧力に正の脈動が生じてしまうような場合においても、第１定圧制御区間の前に連続する第２定圧制御区間における定圧制御によって、正の脈動が抑制される効果が得られる。

目標流量設定部１６は、定圧制御で用いられる目標圧力Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}を設定するように構成されている。目標圧力Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}は、定圧制御区間（第１定圧制御区間及び第２定圧制御区間）の開始直前のシステム圧力であってよい。また、目標圧力Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}は、定圧制御区間の開始直前のシステム圧力を基準として、線形的な時間推移の予測を加えて決定されてもよい。このような目標圧力Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}の設定方法は、特許文献４にも開示されている。

圧力偏差Ｐ_ｅは、次式のように、目標圧力Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}とシステム圧力Ｐ_ｓｙｓの差として計算される。
Ｐ_ｅ＝Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}－Ｐ_ｓｙｓ

また、圧力偏差Ｐ_ｅから、次式によって積分項Ｉ_ｅと微分項Ｄ_ｅが誘導される。

第１定圧制御は、次の第１の式を用いたＰＩＤ制御とすることができる。

一方で、第２定圧制御は次の第２の式を用いたＰＤ制御とすることができる。
Q_TC = K_PP_e + T_dD_e

なお、上記第２の式は積分項を含んでいない、すなわち、操作量Ｑ_ＴＣに対する積分項の寄与度がゼロである。しかし、第２定圧制御に用いられる第２の式も積分項Ｉ_ｅを含んでいてもよい。その場合、第２の式に含まれる積分項Ｉ_ｅの寄与度は第１の式の積分項Ｉ_ｅの寄与度よりも小さくする。これは、第２の式における積分ゲイン１／Ｔ_ｉを第１の式の積分ゲイン１／Ｔ_ｉに対して相対的に小さくすることによって実現することができる。また、上記第１の式及び第２の式は微分項Ｔ_ｄＤ_ｅを含んでいるが、微分項Ｔ_ｄＤ_ｅは必須ではない。

ここで、Ｋ_ｐは比例ゲインである。Ｔ_ｉは積分時間であり、１／Ｔ_ｉは積分ゲインと呼ばれる。Ｔ_ｄは微分時間又は微分ゲインと呼ばれる。これらの係数は定数でもよいし、対象となる送液ポンプ２Ａ又は２Ｂの動作条件（流量、圧力など）に応じて可変としてもよい。

図２とともに図７のフローチャートを用いて、定圧制御区間における定圧制御について説明する。なお、ここでは送液ポンプ２Ａを対象として説明するが、送液ポンプ２Ｂに対しても同様に適用される。

送液ポンプ２Ａの動作状態が定圧制御区間に入ると、目標圧力設定部１６は定圧制御区間に入る直前のシステム圧力を基準に目標圧力を設定する（ステップ３０１）。コントローラ１０は、送液ポンプ２Ａの制御周期ごとに圧力センサ９５Ａからシステム圧力Ｐ_ｓｙｓを読み取る（ステップ３０２）。送液制御部１４は、読み取ったシステム圧力Ｐ_ｓｙｓと目標圧力Ｐ_{ｔａｒｇｅｔ}を用いて圧力偏差Ｐ_ｅを計算する（ステップ３０３）。送液制御部１４は、送液ポンプ２Ａの動作状態が第１定圧制御区間にある場合には、第１の式を用いて送液流量の操作量Ｑ_ＴＣを計算し（ステップ３０４、３０５）、送液ポンプ２Ａの動作状態が第２定圧制御区間にある場合には、第２の式を用いて送液流量の操作量Ｑ_ＴＣを計算する（ステップ３０４、３０６）。そして、送液制御部１４は、送液ポンプ２Ａの１次プランジャポンプ８Ａと２次プランジャポンプ９Ａの合成流量を計算された操作量Ｑ_ＴＣだけ増減させるように、１次プランジャ８１Ａ及び／又は２次プランジャ９１Ａの動作速度を調節する（ステップ３０７）。

図８は、定圧制御による圧力変動の抑制効果の検証結果を示すシステム圧力データである。この検証では、第１定圧制御区間において第１の式を用いた第１定圧制御（ＰＩＤ制御）を実行し、第２定圧制御区間において第２の式を用いた第２定圧制御（ＰＤ制御）を実行した場合（実施例１）と、第１定圧制御区間及び第２定圧制御区間の両方において第１の式を用いた第１定圧制御（ＰＩＤ制御）を実行した場合（比較例）とで、システム圧力の変動具合について比較した。

図８の実施例１と比較例を比較すると、第１定圧制御区間（１次吐出行程）の後に連続する第２定圧制御区間において、圧力偏差が比較例よりも実施例１のほうが小さいことがわかる。この理由は以下のように説明される。

このフィードバックグループ系における主な外乱要因は、熱効果による流量欠損である。流量欠損は、送液ポンプ２Ａ又は２Ｂが１次吐出行程にある間は持続する。そのため、図８の実施例１及び比較例の両波形において、１次吐出行程（第１定圧制御区間）の開始とともに圧力の低下が観測される。その後、積分時間Ｔ_ｉ程度の時間が経過すると、積分項Ｉ_ｅの寄与度が大きくなり、システム圧力の回復が観測される。

送液ポンプ２Ａ又は２Ｂの動作が１次吐出行程から１次プランジャポンプ８Ａ又は８Ｂの吸入行程に遷移すると、外乱要因である流量欠損が収束する。このとき、比較例のようにＰＩＤ制御を続行していると、操作量Ｑ_ＴＣへの積分項Ｉ_ｅの寄与が持続するため、圧力のオーバーシュートが発生する。一方で、実施例１では、１次吐出行程から１次プランジャポンプ８Ａ又は８Ｂの吸入行程に遷移したときに積分項Ｉ_ｅが無効化されてＰＤ制御に移行するため、比較例で観測されたオーバーシュートが抑制される。このように、第２定圧制御区間での定圧制御における積分項Ｉ_ｅの寄与度を第１定圧制御区間での定圧制御における積分項Ｉ_ｅの寄与度よりも小さくすることで、システム圧力の変動を抑制することができる。

ところで、ＰＩＤ制御（若しくは、ＰＩ制御）では、送液周期ごとに積分項Ｉ_ｅがゼロに初期化されることが一般的である。しかし、熱効果によるシステム圧力の変動は周期的であるため、圧力偏差Ｐ_ｅは送液周期によって大きく変動するものではない。そこで、前の送液周期の定圧制御区間での定圧制御の積分項Ｉ_ｅを、少なくとも部分的に、次の送液周期の定圧制御区間での定圧制御の積分項Ｉ_ｅの初期値として引き継ぐようにしてもよい。すなわち、図９に示されているように、コントローラ１０に、定圧制御区間における積分項Ｉ_ｅの最終値を記憶する積分項最終値記憶部１８を備えさせ、送液制御部１４に、積分項最終値記憶部１８に記憶された前の送液周期の定圧制御区間における積分項Ｉ_ｅの最終値の少なくとも一部（例えば、５０％、１００％など）を、次の送液周期の定圧制御区間における積分項Ｉ_ｅの初期値として使用させてもよい。

また、第１の式における積分ゲインは、第１定圧制御区間において必ずしも一定である必要はない。すなわち、第１の式を次式のように成形係数Ａを備えたものとしてもよい。

上記第１の式の成形係数Ａは、図１０に示されているように、対象となる送液ポンプ２Ａ又は２Ｂの１次プランジャ８１Ａ又は８１Ｂの第１吐出行程における動作速度に比例して０～１の間で変化するように設定することができる。送液流量の欠損量Ｑ_ＴＣは、１次吐出行程中における１次プランジャの動作速度にほぼ比例して変動するため、第１の式における積分項Ｉ_ｅの寄与度も１次プランジャの動作速度に比例させることで、より高精度な定圧制御が実現できる。

図１１は、第１定圧制御において成形係数Ａを含んだ第１の式を用いるとともに、第１定圧制御の積分項Ｉ_ｅの初期値として、前の送液周期における第１定圧制御の積分項Ｉ_ｅの最終値の一部を用いたことによるシステム圧力の変動の抑制効果の検証結果を示している。図１１の実施例２では、第１定圧制御区間において成形係数Ａを含まない第１の式を用いてＰＩＤ制御を行ない、送液周期ごとに積分項Ｉ_ｅをゼロに初期化している。一方、実施例３では、第１定圧制御区間において成形係数Ａを含む第１の式を用いてＰＩＤ制御を行ない、かつ、そのＰＩＤ制御の積分項Ｉ_ｅの初期値として、前の送液周期の第１定圧制御区間の積分項Ｉ_ｅの最終値の一部（５０％）を用いている。第２定圧制御区間では、実施例２及び３の両方において、積分項Ｉ_ｅを含まない第２の式を用いたＰＤ制御を行なっている。

図１１の実施例２及び実施例３の波形を比較すれば、ＰＩＤ制御の積分項Ｉ_ｅに成形係数Ａを積算し、かつ、前の送液周期の第１定圧制御区間の積分項Ｉ_ｅの最終値を次の送液周期の定圧制御における積分項Ｉ_ｅの初期値に利用することで、第１定圧制御区間（１次吐出行程）の前半における圧力偏差が改善していることがわかる。この理由は以下のように説明される。

先に述べたように、実施例２では、送液周期ごとに積分項Ｉ_ｅをゼロに初期化している。そのため、積分時間Ｔ_ｉ程度の時間が経過するまでは（操作量Ｑ_ＴＣへの積分項Ｉ_ｅの寄与度が大きくなるまでは）、システム圧力の回復が遅れることになる。一方、１次吐出行程が終了する時点においては、操作量Ｑ_ＴＣの計算式のうち積分項Ｉ_ｅの寄与が支配的となる。すなわち、積分項Ｉ_ｅは、外乱要因である流量欠損の大きさに関する情報を有している。流量欠損は周期的に再現するので、図１１の実施例３のように、積分項Ｉ_ｅを少なくとも部分的に引き継ぎ、さらに成形係数を積分項Ｉ_ｅに積算することで、１次吐出行程の開始直後から積分項Ｉ_ｅを有効に寄与させることができ、１次吐出行程の開始直後のシステム圧力の落ち込みを抑制することができる。

以上において説明した実施例は、本発明に係る送液ポンプ及び液体クロマトグラフの実施形態の一例を示しているに過ぎない。本発明に係る送液ポンプ及び液体クロマトグラフの実施形態は以下の通りである。

本発明に係る送液ポンプの実施形態では、１次プランジャポンプと、前記１次プランジャポンプの下流に直列に流体接続された２次プランジャポンプと、前記２次プランジャポンプの出口から送出される移動相の圧力をシステム圧力として検出する圧力センサと、を備え、前記１次プランジャポンプが吐出動作を行なう１次吐出行程と前記２次プランジャポンプが吐出動作を行なう２次吐出行程を交互に連続的に実行する送液ポンプであって、前記送液ポンプは、前記１次吐出行程及び前記２次吐出行程からなる送液周期のうち、前記１次吐出行程が実行される区間を第１定圧制御区間、前記２次吐出行程が実行される区間のうちの一部の区間であって前記第１定圧制御区間の後に連続する区間を含む区間を第２定圧制御区間とし、前記第１定圧制御区間において第１定圧制御を実行し、前記第２定圧制御区間において第２定圧制御を実行するように構成された送液制御部と、前記２次吐出行程が実行される区間のうち前記第２定圧制御区間以外の区間における前記システム圧力を基準に前記第１定圧制御及び前記第２定圧制御のための目標圧力を設定するように構成された目標圧力設定部と、を備え、前記第１定圧制御は、前記１次プランジャポンプの吐出流量から前記２次プランジャポンプの吸入流量を差し引いた流量である合成流量の操作量を第１の式を用いて計算し、計算した前記操作量だけ前記合成流量を増減させるように前記１次プランジャポンプ及び／又は前記２次プランジャポンプの動作速度を調節する制御であり、前記第２定圧制御は、前記２次プランジャポンプの吐出流量の操作量を第２の式を用いて計算し、計算した前記操作量だけ前記２次プランジャポンプの吐出流量を増減させるように前記２次プランジャポンプの動作速度を調節する制御であり、前記第１の式は、前記目標圧力と前記システム圧力との差である圧力偏差の比例項及び積分項を少なくとも含んでおり、前記第２の式は、前記圧力偏差の比例項を少なくとも含み、かつ、前記圧力偏差の積分項の寄与度が前記第１の式よりも小さい。

本発明に係る送液ポンプの上記実施形態の第１態様では、前記第２の式における前記積分項の寄与度はゼロである。このような態様により、熱効果による送液流量の欠損が発生しない前記１次吐出行程以外の区間において積分項の寄与がなくなり、積分項の寄与によるシステム圧力のオーバーシュートを抑制することができる。

本発明に係る送液ポンプの上記実施形態の第２態様では、前記第１の式及び前記第２の式は前記圧力偏差の微分項を含んでいる。このような態様では、前記第１定圧制御はＰＩＤ制御となり、前記第２定圧制御はＰＤ制御となる。

本発明に係る送液ポンプの上記実施形態の第３態様では、前記第１の式は前記積分項に乗じられる成形係数を含み、前記成形係数は前記１次プランジャポンプのプランジャの動作速度に比例して０～１の間で変化する。送液流量の欠損量は、１次吐出行程中における前記１次プランジャポンプのプランジャの動作速度に連動して変動するため、第１の式における積分項の寄与度もプランジャの動作速度に連動させることで、より高精度な定圧制御が実現できる。

本発明に係る送液ポンプの上記実施形態の第４態様では、前記第２定圧制御区間は、前記第１定圧制御区間の前に連続した区間を含む。前記１次吐出行程に先立って実施される予圧行程で前記１次プランジャポンプのポンプ室内の圧力がシステム圧力よりも高くなり、システム圧力に正の脈動を発生させる場合がある。そのような場合にも、第１定圧制御区間の前に連続する区間において第２の定圧制御を実施することで、正の脈動を抑制することができる。

本発明に係る送液ポンプの上記実施形態の第５態様では、前記第１定圧制御区間及び前記第２定圧制御区間からなる連続した定圧制御区間における前記積分項の最終値を次の前記送液周期の前記定圧制御区間の開始時点まで記憶するように構成された積分項最終値記憶部をさらに備え、前記送液制御部は、前記積分項最終値記憶部に記憶された前記最終値を少なくとも部分的に次の前記送液周期の前記積分項の初期値として前記操作量の計算に用いるように構成されている。流量欠損は周期的に再現するので、前の送液周期の積分項を少なくとも部分的に引き継ぐことで、次の送液周期の１次吐出行程の開始直後から積分項を有効に寄与させることができ、１次吐出行程の開始直後のシステム圧力の落ち込みを抑制することができる。

本発明に係る液体クロマトグラフの実施形態では、試料を個々の成分に分離するための分離カラムと、前記分離カラムに通じる分析流路と、前記分析流路中で移動相を送液するための上述の送液ポンプと、前記分離カラムの上流において、前記分析流路を流れる移動相中に試料を注入する試料注入部と、前記分離カラムの下流に流体接続され、前記分離カラムにおいて分離された試料成分を検出するための検出器と、を備えている。

１バイナリポンプ
２Ａ，２Ｂ送液ポンプ
４切替バルブ
６Ａ，６Ｂ流路
８Ａ，８Ｂ１次プランジャポンプ
９Ａ，９Ｂ２次プランジャポンプ
１０コントローラ
１２動作状態認識部
１４送液制御部
１６目標圧力設定部
１８積分項最終値記憶部
８１Ａ，８１Ｂ１次プランジャ
８２Ａ，８２Ｂ，９２Ａ，９２Ｂモータ
８３Ａ，８３Ｂ，９３Ａ，９３Ｂチェック弁
８４Ａ，８４Ｂ，９４Ａ，９４Ｂポンプ室
８５Ａ，８５Ｂ，９５Ａ，９５Ｂ圧力センサ
１００分析流路
１０２ミキサ
１０４試料注入部
１０６分離カラム
１０８検出器

Claims

１次プランジャポンプと、
前記１次プランジャポンプの下流に直列に流体接続された２次プランジャポンプと、
前記２次プランジャポンプの出口から送出される移動相の圧力をシステム圧力として検出する圧力センサと、を備え、前記１次プランジャポンプが吐出動作を行なう１次吐出行程と前記２次プランジャポンプが吐出動作を行なう２次吐出行程を交互に連続的に実行する送液ポンプであって、
前記送液ポンプは、
前記１次吐出行程及び前記２次吐出行程からなる送液周期のうち、前記１次吐出行程が実行される区間を第１定圧制御区間、前記２次吐出行程が実行される区間のうちの一部の区間であって前記第１定圧制御区間の後に連続する区間を含む区間を第２定圧制御区間とし、前記第１定圧制御区間において第１定圧制御を実行し、前記第２定圧制御区間において第２定圧制御を実行するように構成された送液制御部と、
前記２次吐出行程が実行される区間のうち前記第２定圧制御区間以外の区間における前記システム圧力を基準に前記第１定圧制御及び前記第２定圧制御のための目標圧力を設定するように構成された目標圧力設定部と、を備え、
前記第１定圧制御は、前記１次プランジャポンプの吐出流量から前記２次プランジャポンプの吸入流量を差し引いた流量である合成流量の操作量を第１の式を用いて計算し、計算した前記操作量だけ前記合成流量を増減させるように前記１次プランジャポンプ及び／又は前記２次プランジャポンプの動作速度を調節する制御であり、
前記第２定圧制御は、前記２次プランジャポンプの吐出流量の操作量を第２の式を用いて計算し、計算した前記操作量だけ前記２次プランジャポンプの吐出流量を増減させるように前記２次プランジャポンプの動作速度を調節する制御であり、
前記第１の式は、前記目標圧力と前記システム圧力との差である圧力偏差の比例項及び積分項を少なくとも含んでおり、
前記第２の式は、前記圧力偏差の比例項を少なくとも含み、かつ、前記圧力偏差の積分項の寄与度が前記第１の式よりも小さい、送液ポンプ。
前記第２の式における前記積分項の寄与度はゼロである、請求項１に記載の送液ポンプ。
前記第１の式及び前記第２の式は前記圧力偏差の微分項を含んでいる、請求項１に記載の送液ポンプ。
前記第１の式は前記積分項に乗じられる成形係数を含み、
前記成形係数は前記１次プランジャポンプのプランジャの動作速度に比例して０～１の間で変化する、請求項１に記載の送液ポンプ。
前記第２定圧制御区間は、前記第１定圧制御区間の前に連続した区間を含む、請求項１に記載の送液ポンプ。
前記第１定圧制御区間及び前記第２定圧制御区間からなる連続した定圧制御区間における前記積分項の最終値を次の前記送液周期の前記定圧制御区間の開始時点まで記憶するように構成された積分項最終値記憶部をさらに備え、
前記送液制御部は、前記積分項最終値記憶部に記憶された前記最終値を少なくとも部分的に次の前記送液周期の前記積分項の初期値として前記操作量の計算に用いるように構成されている、請求項１に記載の送液ポンプ。
試料を個々の成分に分離するための分離カラムと、
前記分離カラムに通じる分析流路と、
前記分析流路中で移動相を送液するための請求項１に記載の送液ポンプと、
前記分離カラムの上流において、前記分析流路を流れる移動相中に試料を注入する試料注入部と、
前記分離カラムの下流に流体接続され、前記分離カラムにおいて分離された試料成分を検出するための検出器と、を備えた液体クロマトグラフ。