WO2017090148A1 - 送液装置、送液装置の送液制御方法及び送液装置の送液制御プログラム - Google Patents
送液装置、送液装置の送液制御方法及び送液装置の送液制御プログラム Download PDFInfo
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Definitions
- control unit gives the compensation flow rate by increasing the plunger speed of the plunger pump during the discharge stroke.
- the primary side plunger 202 is reciprocated together with the primary side cross head 223 by the rotational movement of the primary side cam 222.
- the secondary side plunger 212 is reciprocated together with the secondary side cross head 225 by the rotational motion of the secondary side cam 224.
- the upper graph in FIG. 9 shows the pressure waveform when the heat compensation flow rate is not given. Periodic pressure drop has been observed. This is the thermal effect pulsation accompanying the cooling of the mobile phase.
- the lower graph in FIG. 9 is a pressure waveform when a compensation flow rate is applied according to an embodiment of the liquid delivery device.
- a positive compensation flow rate is added immediately after preloading.
- the pressure drop as seen in the upper graph is canceled, and the liquid feeding stability is improved.
- the embodiment of the parallel type pump described with reference to FIG. 10 includes the right side subunit 300 and the left side subunit 310 connected in parallel, but the subunits connected in parallel in the embodiment of the present invention.
- the number of is not limited to two.
- the embodiment of the liquid feeding device of the present invention may have a configuration in which three or more subunits (plunger pumps) are connected in parallel.
- Each step of the embodiment described above can be realized by creating a program for processing each step and executing the program using a computer.
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Abstract
Description
移動相びん101には水や有機溶媒などの移動相が貯留されている。移動相は流路配管102を通って送液ポンプ103によって後段へ高圧送液される。分析対象となるサンプルは、サンプルインジェクタ104によって移動相へ導入及び混合され、カラム105へと運ばれる。カラム105では、サンプル中の各成分物質が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、カラム出口から溶出される。
ポンプは大きく分けて1次側サブユニット200と2次側サブユニット210から構成される。
この速度プロファイルでは、1次側ポンプヘッド201に吸引された移動相をシステム圧力まで昇圧するための予圧行程が挿入されている。予圧行程は、1次側プランジャ202が吐出行程に入るときに、1次側ポンプヘッド201の内部の移動相がシステム圧力まで既に昇圧されている状態にする。これによって、2次側プランジャ212が吸引行程に入るのに合わせて1次側ポンプヘッド201が即座に吐出を開始できるようになっている。
図1に、送液装置の一実施形態の模式的な構成図を示す。図2に、送液装置の送液制御方法の一実施形態における補償流量の計算フローチャートを示す。図3に、この実施形態における補償流量の計算過程を説明するためのグラフを示す。
補償流量計算部221は、1次側サブユニット200が予圧行程、吐出行程、吸引行程のうち、どの行程にあるかを判断する(ステップS1)。
ステップS1に戻る。1次側サブユニット200が1次側予圧行程の期間中、ステップS11~S19が繰り返される。
上記で説明した実施形態の各ステップは、各ステップを処理するためのプログラムが作製され、コンピュータを用いてそのプログラムが実行されることによって実現できる。
図5では、ポンプ制御コントローラ220は、1次側吐出行程において1次側速度(1次側プランジャ202の速さ)を増やすことで1次側サブユニット200の吐出量を増やして流量を補償する。
図6では、ポンプ制御コントローラ220は、2次側吸引行程において2次側速度(2次側プランジャ212の速さ)を減らすことで2次側サブユニット210の吸引量を減らして流量を補償する。
(A)1次側プランジャ202の速さ(1次側サブユニット200の吐出量)を増やす、
(B)2次側プランジャ212の速さ(2次側サブユニット210の吐出量)を増やす、
(C)1次側プランジャ202の速さを増やすと同時に2次側プランジャ212の速さを増やす、
のいずれかを選択できる。
ポンプは大きく分けて右側サブユニット300と左側サブユニット310から構成される。
(a)吐出行程の開始直後のサブユニットのプランジャ速さ(吐出量)を増やす、
(b)吐出行程の終了間際のサブユニットのプランジャ速さを増やす、
(c)吐出行程の開始直後のサブユニットのプランジャ速さを増やすと同時に吐出行程の終了間際のサブユニットのプランジャ速さを増やす、
のいずれかを選択できる。
図13は送液装置のさらに他の実施形態の構成を説明するための模式的な構成図である。図14は送液装置の送液制御方法の他の実施形態を説明するための、補償流量の計算フローチャートである。図13において図1と同じ機能を果たす部分には同じ符号が付されている。
補償流量計算部231は、1次側サブユニット200が予圧行程、吐出行程、吸引行程のうち、どの行程にあるかを判断する(ステップS41)。
ステップS41に戻る。1次側サブユニット200が1次側予圧行程の期間中、ステップS51~S53が繰り返される。
補償流量計算部231は、ステップS53と同様にして補償流量を計算する(ステップS63)。ここでの補償流量は、1次側ポンプヘッド201内の移動相の単位時間あたりの熱膨張体積の減少量である。なお、補償流量は正の値である。
しかし、高圧グラジエント系では、2台のポンプのどちらが熱効果脈動を発生させたかを判別することに困難が生じる。片方のポンプの脈動をもう一方のポンプが補償してしまうと、システム圧力は保たれるが、濃度比率の正確性は逆に悪化する。
しかし、予圧はあくまで断熱的であると想定されている。予圧時間が長い場合、断熱過程と等温過程の中間になるため補償量は小さくするべきだが、この特許文献3では考慮されていない。
しかし、この送液装置は、上述のような高圧グラジエント系で発生する問題を有している。
しかし、高流量(数mL/min)になると予圧時間が短くなり(100ミリ秒程度)、補償流量を算出するためのプランジャ動作の時間を確保することが難しくなるという問題がある。
例えば、本発明の実施形態は、定圧フィードバックではないので、高圧グラジエント系で片方のポンプの熱効果脈動をもう一方のポンプが補償してしまうことがない。
また、本発明の実施形態は、予圧行程中に熱補償のための特殊なプランジャ駆動をする必要がない。
また、本発明の実施形態は、ポンプヘッド内部の空間部分ごとに冷却を計算でき、より細かい補償が可能になる。
201 1次側ポンプヘッド
202 1次側プランジャ
203 1次側シール部材
206 1次側チェック弁
207 吸引流路
208 1次側圧力センサ
210,210a 2次側サブユニット(2次側プランジャポンプ)
211 2次側ポンプヘッド
212 2次側プランジャ
213 2次側シール部材
216 2次側チェック弁
217 吐出流路
218 2次側圧力センサ
220 ポンプ制御コントローラ(制御部)
221,231 補償流量計算部
230 温度計
300 右側サブユニット(プランジャポンプ)
310 左側サブユニット(プランジャポンプ)
301 右側ポンプヘッド
302 右側プランジャ
303 右側シール部材
306,316 入口チェック弁
307 吸引流路
309,319 出口チェック弁
311 左側ポンプヘッド
312 左側プランジャ
313 左側シール部材
317 吐出流路
318 吐出流路圧力センサ
320 ポンプ制御コントローラ(制御部)
321 補償流量計算部
Claims (28)
- 吸引流路と吐出流路の間に直列又は並列に流体接続された複数のプランジャポンプと、
前記プランジャポンプの動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は前記プランジャポンプを周期的に動作させ、
前記周期のうちに、
前記プランジャポンプに流体を吸引する吸引行程と、
少なくとも1つの前記プランジャポンプについて前記プランジャポンプ内の流体圧力を前記吐出流路内の流体圧力まで昇圧する予圧行程と、
前記プランジャポンプ内の流体を前記吐出流路側へ吐出する吐出行程と、が含まれており、
前記制御部は、前記プランジャポンプの1つが前記吸引行程にあるときは少なくとも1つの別の前記プランジャポンプが前記吐出行程にあることで実質的に連続した流体吐出を行わせ、
さらに前記制御部は、設定流量に対して前記周期に同期して時間変化する正の補償流量を計算する補償流量計算部を備え、
前記補償流量は、前記プランジャポンプ内の流体が前記予圧行程において圧縮及び発熱したのちに前記吐出行程において冷却及び収縮することに起因する流量の欠損を補償する流量であり、
前記補償流量計算部は、前記予圧行程中の前記プランジャポンプ内の流体の単位時間あたりの圧力上昇が大きいほど前記補償流量を大きくする相関に基づいて又は前記プランジャポンプ内の流体の測定された上昇温度に基づいて前記補償流量を計算し、
前記制御部は、前記補償流量を得るために少なくとも1つの前記プランジャポンプのプランジャ速度を修正する送液装置。 - 前記補償流量計算部は、前記相関に基づいて前記補償流量を計算するものであって、
計算周期ごとに、
前記予圧行程中の前記プランジャポンプ内の流体の単位時間あたりの圧力上昇を計算し、
前記圧力上昇に比例した単位時間あたりの発熱量を計算し、
前回の計算周期で計算した上昇温度から時間経過による冷却後の上昇温度を計算し、
前記冷却後の上昇温度と前記発熱量から現在の上昇温度を計算し、
前記現在の上昇温度と前記プランジャポンプ内の残容量から流体の熱膨張体積を計算し、
単位時間あたりの前記熱膨張体積の変化から前記補償流量を計算する請求項1に記載の送液装置。 - 前記補償流量計算部は、単位時間あたりの前記圧力上昇と前記発熱量との比例係数を、流体の熱膨張率β、温度T、定圧比熱Cp、密度ρとしたとき、βT/Cpρとして前記発熱量を計算する請求項2に記載の送液装置。
- 前記補償流量計算部は、前記吐出行程中の前記プランジャポンプ内の流体について、前記冷却後の上昇温度を前記現在の上昇温度とする請求項2又は3に記載の送液装置。
- 前記補償流量計算部は、前記吸引行程中は前記プランジャポンプ内の流体の発熱がないとして前記現在の上昇温度を計算する請求項2から4のいずれか一項に記載の送液装置。
- 前記補償流量計算部は、前記予圧行程中の前記プランジャポンプ内の流体の圧力を測定する圧力センサの出力から前記圧力上昇を計算する請求項2から5のいずれか一項に記載の送液装置。
- 前記補償流量計算部は、前記圧力上昇が、前記予圧行程中の前記プランジャポンプのプランジャ速度と前記吐出流路内の流体圧力の両方に比例するとして、計算から前記圧力上昇を求める請求項2から5のいずれか一項に記載の送液装置。
- 該送液装置は、前記予圧行程を行う前記プランジャポンプ内の流体温度を測定するための温度計を備え、
前記補償流量計算部は、前記温度計の出力を用いて、前記測定された上昇温度に基づいて前記補償流量を計算するものであって、計算周期ごとに、前記プランジャポンプ内の流体の上昇温度と残容量から流体の熱膨張体積を計算し、単位時間あたりの前記熱膨張体積の変化から前記補償流量を計算する請求項1に記載の送液装置。 - 前記補償流量計算部は、前記吐出行程中の前記プランジャポンプ内の流体の単位時間あたりの熱膨張体積の減少量を前記補償流量とする請求項2から8のいずれか一項に記載の送液装置。
- 前記プランジャポンプとして1次側プランジャポンプと2次側プランジャポンプを備え、
前記吸引流路と前記吐出流路の間に、1次側チェック弁と、前記1次側プランジャポンプと、2次側チェック弁と、前記2次側プランジャポンプが前記吸引流路側からその順に直列に流体接続されており、
前記1次側プランジャポンプは、1次側ポンプヘッドと、前記1次側ポンプヘッド内を軸方向に往復運動する1次側プランジャと、前記1次側ポンプヘッドと前記1次側プランジャの間を封止する1次側シール部材と、前記1次側ポンプヘッドに設けられた1次側入口流路及び1次側出口流路と、前記1次側プランジャを往復運動させる1次側駆動機構を備え、
前記2次側プランジャポンプは、2次側ポンプヘッドと、前記2次側ポンプヘッド内を軸方向に往復運動する2次側プランジャと、前記2次側ポンプヘッドと前記2次側プランジャの間を封止する2次側シール部材と、前記2次側ポンプヘッドに設けられた2次側入口流路及び2次側出口流路と、前記2次側プランジャを往復運動させる2次側駆動機構を備え、
前記周期のうちに、
前記吸引行程であって、前記1次側プランジャを前記1次側ポンプヘッドから遠ざかる方向に動かして前記1次側プランジャポンプに流体を吸引する1次側吸引行程、及び前記2次側プランジャを前記2次側ポンプヘッドから遠ざかる方向に動かして前記1次側ポンプヘッドから前記2次側ポンプヘッドに流体を吸引する2次側吸引行程と、
前記予圧行程であって、前記1次側プランジャを前記1次側ポンプヘッドに近づける方向に動かして前記1次側ポンプヘッド内の流体圧力を前記吐出流路の流体圧力まで昇圧する1次側予圧行程と、
前記吐出行程であって、前記1次側予圧行程の後にさらに前記1次側プランジャを前記1次側ポンプヘッドに近づける方向に動かして前記1次側ポンプヘッド内の流体を前記2次側ポンプヘッドを経由しながら前記吐出流路へ吐出する1次側吐出行程、及び前記2次側プランジャを前記2次側ポンプヘッドに近づける方向に動かして前記2次側ポンプヘッド内の流体を前記吐出流路へ吐出する2次側吐出行程と、が含まれており、
前記1次側吐出行程はおよそ前記2次側吸引行程の期間に行われ、
前記2次側吐出行程はおよそ前記1次側吸引行程の期間と前記1次側予圧行程の期間に行われ、
前記制御部は、前記補償流量を得るために、前記1次側吐出行程中の前記1次側プランジャの速度及び前記2次側吸引行程中の前記2次側プランジャの速度の少なくとも一方を修正する請求項1から9のいずれか一項に記載の送液装置。 - 前記制御部は、前記補償流量を、前記1次側吐出行程中の前記1次側プランジャの速さを増やすことで与える請求項10に記載の送液装置。
- 前記制御部は、前記補償流量を、前記2次側吸引行程中の前記2次側プランジャの速さを減らすことで与える請求項10に記載の送液装置。
- 前記制御部は、前記補償流量を、前記1次側吐出行程中の前記1次側プランジャの速さを増やすと同時に前記2次側吸引行程中の前記2次側プランジャの速さを増やし、かつ、前記1次側プランジャの速さの増分の大きさを前記2次側プランジャの速さの増分の大きさよりも大きくすることで与える請求項10に記載の送液装置。
- 複数の前記プランジャポンプは、前記吸引流路と前記吐出流路の間に、前記吸引流路とは入口チェック弁をそれぞれ介し、前記吐出流路とは出口チェック弁をそれぞれ介して、並列に流体接続されており、
前記プランジャポンプは、ポンプヘッドと、前記ポンプヘッド内を軸方向に往復運動するプランジャと、前記ポンプヘッドと前記プランジャの間を封止するシール部材と、前記ポンプヘッドに設けられた入口流路及び出口流路と、前記プランジャを往復運動させる駆動機構をそれぞれ備え、
前記周期のうちに、
前記プランジャを前記ポンプヘッドから遠ざかる方向に動かして前記入口流路から前記ポンプヘッドに流体を吸引する前記吸引行程と、
前記プランジャを前記ポンプヘッドに近づける方向に動かして前記ポンプヘッド内の流体圧力を前記出口流路の流体圧力まで昇圧する前記予圧行程と、
前記予圧行程の後にさらに前記プランジャを前記ポンプヘッドに近づける方向に動かして前記ポンプヘッド内の流体を前記出口流路へ吐出する前記吐出行程と、が含まれており、
前記制御部は、前記補償流量を得るために、少なくとも1つの前記プランジャポンプのプランジャ速度を修正する請求項1から9のいずれか一項に記載の送液装置。 - 前記制御部は、前記補償流量を、前記吐出行程中の前記プランジャポンプのプランジャ速さを増やすことで与える請求項14に記載の送液装置。
- 吸引流路と吐出流路の間に直列又は並列に流体接続された複数のプランジャポンプを周期的に動作させ、
前記周期のうちに、
前記プランジャポンプに流体を吸引する吸引行程と、
少なくとも1つの前記プランジャポンプについて前記プランジャポンプ内の流体圧力を前記吐出流路内の流体圧力まで昇圧する予圧行程と、
前記プランジャポンプ内の流体を前記吐出流路側へ吐出する吐出行程と、が含まれており、
前記プランジャポンプの1つが前記吸引行程にあるときは少なくとも1つの別の前記プランジャポンプが前記吐出行程にあることで実質的に連続した流体吐出を行わせ、
さらに、設定流量に対して前記周期に同期して時間変化する正の補償流量を計算する補償流量計算ステップと、
前記補償流量を得るために少なくとも1つの前記プランジャポンプのプランジャ速度を修正する修正ステップと、を含み、
前記補償流量は、前記プランジャポンプ内の流体が前記予圧行程において圧縮及び発熱したのちに前記吐出行程において冷却及び収縮することに起因する流量の欠損を補償する流量であり、
前記補償流量計算ステップは、前記予圧行程中の前記プランジャポンプ内の流体の単位時間あたりの圧力上昇が大きいほど前記補償流量を大きくする相関に基づいて又は前記プランジャポンプ内の流体の測定された上昇温度に基づいて前記補償流量を計算する送液装置の送液制御方法。 - 前記補償流量計算ステップは、前記相関に基づいて前記補償流量を計算するステップであって、
計算周期ごとに、
前記予圧行程中の前記プランジャポンプ内の流体の単位時間あたりの圧力上昇を計算する圧力上昇計算ステップと、
前記圧力上昇に比例した単位時間あたりの発熱量を計算する発熱量計算ステップと、
前回の計算周期で計算した上昇温度から時間経過による冷却後の上昇温度を計算する冷却後温度計算ステップと、
前記冷却後の上昇温度と前記発熱量から現在の上昇温度を計算する現在温度計算ステップと、
前記現在の上昇温度と前記プランジャポンプ内の残容量から流体の熱膨張体積を計算する熱膨張体積計算ステップと、
単位時間あたりの前記熱膨張体積の変化から前記補償流量を計算する補償流量計算ステップと、を含む請求項16に記載の送液装置の送液制御方法。 - 発熱量計算ステップは、単位時間あたりの前記圧力上昇と前記発熱量との比例係数を、流体の熱膨張率β、温度T、定圧比熱Cp、密度ρとしたとき、βT/Cpρとして前記発熱量を計算する請求項17に記載の送液装置の送液制御方法。
- 前記現在温度計算ステップは、前記吐出行程中の前記プランジャポンプ内の流体について、前記冷却後の上昇温度を前記現在の上昇温度とする請求項17又は18に記載の送液装置の送液制御方法。
- 前記現在温度計算ステップは、前記吸引行程中は前記プランジャポンプ内の流体の発熱がないとして前記現在の上昇温度を計算する請求項17から19のいずれか一項に記載の送液装置の送液制御方法。
- 前記圧力上昇計算ステップは、前記予圧行程中の前記プランジャポンプ内の流体の圧力を測定する圧力センサの出力から前記圧力上昇を計算する請求項17から20のいずれか一項に記載の送液装置の送液制御方法。
- 前記圧力上昇計算ステップは、前記圧力上昇が、前記予圧行程中の前記プランジャポンプのプランジャ速度と前記吐出流路内の流体圧力の両方に比例するとして、計算から前記圧力上昇を求める請求項17から20のいずれか一項に記載の送液装置の送液制御方法。
- 前記圧力上昇計算ステップは、前記予圧行程を行う前記プランジャポンプ内の流体温度を測定する温度計の出力を用い、前記測定された上昇温度に基づいて前記補償流量を計算するステップであって、
計算周期ごとに、
前記プランジャポンプ内の流体の上昇温度と残容量から流体の熱膨張体積を計算する熱膨張体積計算ステップと、
単位時間あたりの前記熱膨張体積の変化から前記補償流量を計算する補償流量計算ステップと、を含む請求項16に記載の送液装置の送液制御方法。 - 前記補償流量計算ステップは、前記吐出行程中の前記プランジャポンプ内の流体の単位時間あたりの熱膨張体積の減少量を補償流量とする請求項17から23のいずれか一項に記載の送液装置の送液制御方法。
- 前記修正ステップは、前記補償流量を、前記吐出行程中の前記プランジャポンプのプランジャ速さを増やすことで与える請求項16から24のいずれか一項に記載の送液装置の送液制御方法。
- 前記修正ステップは、前記補償流量を、前記吸引行程中の前記プランジャポンプのプランジャ速さを減らすことで与える請求項16から24のいずれか一項に記載の送液装置の送液制御方法。
- 前記修正ステップは、前記補償流量を、前記吐出行程中の前記プランジャポンプのプランジャ速さを増やすと同時に前記吸引行程中の前記プランジャポンプのプランジャ速さを増やし、かつ、前記吐出行程中の前記プランジャポンプのプランジャ速さの増分の大きさを前記吸引行程中の前記プランジャポンプのプランジャ速さの増分の大きさよりも大きくすることで与える請求項16から24のいずれか一項に記載の送液装置の送液制御方法。
- 請求項16から27のいずれか一項に記載の送液装置の送液制御方法の各ステップをコンピュータに実行させるための送液装置の送液制御プログラム。
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