連続送液システムおよびその制御方法
【課題】
連続送液システムにおいて、逆流の切れ目を防止しながら、送液動作に使用するポンプを切換えたときでも送液量の変動を抑制する。
【解決手段】
連続送液システム５０は、容器４０に収容された液体を吸引し、加圧して需要元へ吐出する。容器に連通する複数のポンプ１８ａ、１８ｂと、複数のポンプの各々に設けられ、ポンプと容器間に配置したバルブ２２ａ、２２ｂと、ポンプの各々に設けられポンプを駆動するモータ１３ａ、１３ｂと、モータとバルブを制御する制御器３１とを備える。制御器は、予め定められた流量を単独のポンプで吐出するときは他のポンプを吸引動作または停止させる。そして、単独のポンプが吐出するときの吐出開始時からの所定時間および吐出終了直前の所定時間は単独で吐出するまたは吐出していたポンプの吐出流量を減らす。さらに、他のポンプにこの減らした流量だけ吐出させる。
連続送液システムにおいて、逆流の切れ目を防止しながら、送液動作に使用するポンプを切換えたときでも送液量の変動を抑制する。
【解決手段】
連続送液システム５０は、容器４０に収容された液体を吸引し、加圧して需要元へ吐出する。容器に連通する複数のポンプ１８ａ、１８ｂと、複数のポンプの各々に設けられ、ポンプと容器間に配置したバルブ２２ａ、２２ｂと、ポンプの各々に設けられポンプを駆動するモータ１３ａ、１３ｂと、モータとバルブを制御する制御器３１とを備える。制御器は、予め定められた流量を単独のポンプで吐出するときは他のポンプを吸引動作または停止させる。そして、単独のポンプが吐出するときの吐出開始時からの所定時間および吐出終了直前の所定時間は単独で吐出するまたは吐出していたポンプの吐出流量を減らす。さらに、他のポンプにこの減らした流量だけ吐出させる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は連続送液システムおよびその制御方法に係り、特にシリンジポンプ等の微小流量を送液する送液手段を有する連続送液システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小な流量、例えば１０ｍｌ／ｍｉｎ程度の送液には、シリンジポンプ等が多用される。シリンジポンプは、送液する液体の種類や配管系が変更された結果、圧力損失が変動しても、送液量が変動せず、安定した定量の送液が可能である。この特徴を利用して、化学分野などの計測機器に利用される。
【０００３】
ところで、シリンジポンプは、シリンジ内に収容された所定容量の液体をプランジャで押し出す構造であり、シリンジ内の所定容量分の液体を吐出し切ると送液を一端停止し、再度液体を吸引する必要が生じる。液体を吸引中は当然ながら送液が停止するので、送液が中断される。そこで、２個のシリンジポンプ用いて送液の中断を防止することが種々提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に記載のシステムでは、使用する液の置換性と脈動を防止するために、２個のシリンジポンプを直列に接続し、片方のシリンジが液体吸引中に他方のシリンジが液体を吐出するように動作させて送液の切れ目を抑えている。
【０００５】
複数のシリンジポンプを並列接続する例が、特許文献２、３に記載されている。特許文献２に記載の枚葉塗工装置では、マイクロシリンジポンプ２台を並列に接続し、一方のポンプが塗料タンクから吸引中は、他方のポンプがステージ上の基板に塗装している。また、特許文献３に記載のシリンジポンプユニットでは、揺動アームの両端側にシリンジポンプのピストンの基端部を挟み込んで、一方のピストンが吐出動作のときは他方のピストンが吸引動作するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２９３９４６号公報
【特許文献２】特開平８−１８２９５２号公報
【特許文献３】特開２００６−２６６４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載の従来の液体クロマトグラフは、上流側シリンジポンプと下流側シリンジポンプの２つを直列に組み合わせ、上流側のシリンジポンプの入口側と出口側に液の逆流を防ぐ逆止弁を備えている。そして、上流側のシリンジポンプからの送液の切れ目を下流側のシリンジポンプで補って送液している。つまり、この送液ポンプでは、上流側シリンジポンプが液体を吐出しているときに、下流側シリンジポンプが液体を吸引して送液の切れ目を防止しているので、上流側シリンジポンプには、装置として要求されている吐出量に加え、下流側シリンジポンプが吸引する吸引量も吐出量に含まれるので、ポンプの動力が増大する。
【０００８】
また、送液の切れ目をなくすために逆止弁を使用しているが、逆止弁を使用するとデッドボリュームを低減できる利点があるが、流路断面積が減少するので送液中の液体に析出した微小な固形物や送液する液体自体が予め微粒子を含むスラリー液における微粒子が異物として咬み込まれるおそれがある。
【０００９】
また、並列接続した特許文献２に記載の装置の場合には、各シリンジポンプに接続した切換弁を切換えて塗工動作と吸引動作を交互に実行しているが、この公報に記載のものは、シリンジポンプの塗工動作と吸引動作の切換え時が基板の交換時になるので、いわゆるバッチ処理であり、ポンプを切換えながら連続的に液を供給することについては考慮されていない。
【００１０】
さらに特許文献３に記載のシリンジポンプユニットは、シリンジポンプを並列接続し電磁切換弁で吸引動作と塗布動作とを切換えている。この公報に記載のものは、塗布動作に使用するシリンジポンプを交換する際には、一端塗布位置からノズル位置を変更して塗布を中止するようにしている。すなわち、この公報に記載のものでも、連続的に液を供給することについては、考慮されていない。
【００１１】
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、微小流量を送液時に逆流の切れ目を防止しながら、送液動作に使用するポンプを切り替えたときであっても送液量の変動を抑制することにある。本発明の他の目的は、継続して一定の微小流量を送液する信頼性の高い送液システムを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成する本発明の特徴は、容器に収容された液体を吸引し、加圧して需要元へ吐出する連続送液システムであって、前記容器に連通する複数のポンプと、この複数のポンプの各々に設けられ、前記ポンプと前記容器間に配置したバルブと、前記ポンプの各々に設けられ前記ポンプを駆動するモータと、前記モータと前記バルブを制御する制御器とを備え、前記制御器は、予め定められた流量を需要元へ単独のポンプで吐出するときは他のポンプを吸引動作または停止させ、前記単独のポンプが吐出するときの吐出開始時からの所定時間および吐出終了直前の所定時間は単独で吐出するまたは吐出していたポンプの吐出流量を減らし、他のポンプにこの減らした流量だけ吐出させるように前記複数のポンプおよび前記バルブを制御することにある。
【００１３】
そしてこの特徴において、前記バルブはロータリーバルブであり、前記複数のポンプは複数のシリンジポンプであり、前記制御器は前記複数のシリンジポンプの吐出動作と吸引動作を切換えて連続送液を制御することが好ましく、前記複数のポンプは２台のシリンジポンプであり、前記制御器は、前記２台のシリンジポンプから単独吐出動作を交互に繰り返させ、前記各シリンジポンプの単独吐出の前後には双方のシリンジポンプによる吐出動作として吐出動作がオーバーラップするよう制御することが望ましい。
【００１４】
また上記特徴において、前記ポンプの吐出部と需要元との間に前記ポンプから吐出される液体の流量を検出する流量計と圧力を検出する圧力計を有し、前記ポンプを駆動する前記モータの起動タイミングと加減速時間との組み合わせパターンの制御データテーブルを記憶する記憶手段を前記制御器に備え、前記制御器は前記記憶手段に記憶された前記制御データを用いて前記ポンプを駆動し、前記圧力センサ及び前記流量計の計測値が最も安定となる条件で前記ポンプを駆動するものであってもよい。
【００１５】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、容器に連通する同容量の２台のシリンジポンプと、これら２台のシリンジポンプの各々に設けられ前記シリンジポンプと前記容器間に配置したロータリーバルブと、前記シリンジポンプの各々に設けられ前記シリンジポンプを駆動するモータと、前記モータと前記ロータリーバルブを制御する制御器とを用いて、容器に収容された液体を吸引し、加圧して需要元へ吐出する連続送液システムの制御方法において、前記２台のシリンジポンプを交互に吸引動作と吐出動作させ、一方のシリンジポンプが単独で吸引しているときに他方のシリンジポンプで吸引動作させ、一方のシリンジポンプの単独動作開始直前の所定時間および単独動作終了前の所定時間だけ他方のシリンジポンプも吐出動作し、これら双方のシリンジポンプが吐出動作するときは、前記一方のシリンジポンプの速度を減速させ、前記他方のシリンジポンプに前記一方のシリンジポンプの減速量だけ加速させることにある。
【００１６】
そしてこの特徴において、前記一方のシリンジポンプが単独吐出動作している間に、前記他方のシリンジポンプに接続された前記ロータリーバルブを吐出側から吸引側へ切換え、この他方のシリンジポンプで前記容器から溶液を吸引し、さらに前記他方のシリンジポンプに接続された前記ロータリーバルブを吸引側から吐出側へ切換えるのがよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、シリンジポンプを２台並列に接続し、それぞれのシリンジポンプにロータリーバルブを付設し、一方のシリンジポンプの吐出動作が終了する前に他のシリンジポンプを吐出動作させているので、異物等による目詰まりを防止できるとともに、バルブの切り替え動作時に生じるシリンジポンプからの送液量の変動を抑制できる。また、継続して一定の微小流量を送液する信頼性の高い送液システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る連続送液システムの一実施例のブロック図である。
【図２】図１に示した連続送液システムが備えるポンプおよびバルブの動作を示すタイミングチャートである
【図３Ａ】図１に示した連続送液システムの制御を示すフローチャートである。
【図３Ｂ】図１に示した連続送液システムの制御を示すフローチャートである。
【図３Ｃ】図１に示した連続送液システムの制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る連続送液システムの一実施例について、図面を用いて説明する。図１は、連続送液システム５０のブロック図であり、図２はシリンジポンプおよびロータリーバルブの動作を示すタイミングチャート、図３はこの連続送液システム５０が備えるシリンジポンプおよびロータリーバルブの制御フローチャートである。
【００２０】
連続送液システム５０は、筐体内に保持される機構部４２と、筐体内に着脱可能に取り付けられる送液対象の流体が収容された容器４０と、この連続送液システム５０を制御する制御部３０とに分かれる。そして、機構部４２は、この連続送液システム５０の中枢をなす送液部１０と、この送液部１０の下流側に位置する配管部２０とを備える。
【００２１】
送液部１０では、第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂが２台平行に配置されている。第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂのシリンジ１１ａ、１１ｂには、プランジャ１２ａ、１２ｂが挿入されている。プランジャ１２ａ、１２ｂのシリンジ１１ａ、１１ｂへの挿入側と反対端部は、ボールネジ１４ａ、１４ｂのスライドブロック１５ａ、１５ｂに固定されている。ボールネジ１４ａ、１４ｂは、モータ１３ａ、１３ｂで駆動される。
【００２２】
シリンジポンプ１８ａ、１８ｂの吐出側には、配管接続のためのアダプタ２１ａ、２１ｂが取り付けられており、このアダプタ２１ａ、２１ｂの下流側は、ロータリーバルブ２２ａ、２２ｂの１次側に接続されている。ロータリーバルブ２２ａ、２２ｂの２次側は、一方が配管２４ａ、２４ｂを介して容器４０に、他方が需要先に接続される配管２７ａ、２７ｂに接続されている。この需要先への配管２７ａ、２７ｂは、配管合流点２５で１本の配管１９にまとめられ、流量計２６を介して図示しない需要元へ接続されている。容器に接続された配管２４ａ、２４ｂも、配管合流点２８で１本の配管２９にまとめられて、容器４０に接続されている。
【００２３】
需要元への配管１９の途中であって流量計２６の下流側には、圧力センサ２３が取り付けられている。圧力センサ２３および流量計２６が検出した信号は、制御部３０が有するパーソナルコンピュータ等の制御器３１に、信号線ｓ１、ｓ２を介して入力される。制御器３１は、記憶手段３１ａおよび演算手段３１ｂを有する。記憶手段３１ａには、予め設定された流量などのデータが記憶されている。制御器３１には、マウスやキーボード、ディスプレイ等の入出力デバイス３２が付設されている。制御器３１は、入力された信号に基づいて、各種指令をロータリーバルブ２２ａ、２２ｂやボールネジ１４ａ、１４ｂを駆動するモータ１３ａ、１３ｂに、信号線ｓ３〜ｓ６を介して出力する。
【００２４】
すなわち、各シリンジ１１ａ、１１ｂ内をプランジャ１２ａ、１２ｂが往復することにより、容器４０から配管２４ａ、２４ｂを経てシリンジ１１ａ、１１ｂ内に吸引された液体を、配管２７ａ、２７ｂから吐出する。プランジャ１２ａ、１２ｂは、動力源となるモータ１３ａ、１３ｂにより、駆動される。その際、モータ１３ａ、１３ｂの回転運動が、ボールネジ１４ａ、１４ｂとスライドブロック１５ａ、１５ｂにより、往復運動へと変換される。
【００２５】
アダプタ２１ａ、２１ｂは、様々な容量のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂを、この連続送液システム５０が使えるようにする継手であり、ロータリーバルブ２１ａ、２１ｂに各サイズのシリンジポンプ１８ａ、１８ｂを漏れることなく接続する。すなわち、アダプタ２１ａ、２１ｂのロータリーバルブ２２側への取り付け部には、ネジが切ってあり、ロータリーバルブ２２とネジ締結されている。アダプタ２１ａ、２１ｂのシリンジ１１側の取り付け部には、ルアーロック型の接続口が設けられている。化学・医療分野などで一般的に使用されている先端がルアーロック形状のシリンジ１１であれば、容量を問わず接続することができる。この連続送液システム５０の定格流量の変化に合わせてシリンジ１１ａ、１１ｂを変更するだけで、幅広い送液条件に対応できる。また、シリンジ１１ａ、１１ｂを取り外して、洗浄することも容易である。
【００２６】
ロータリーバルブ２２ａ、２２ｂは、各シリンジポンプ１８ａ、１８ｂに吸引動作をさせるのか、吐出動作をさせるのかを切り替える。圧力センサ２３および流量計２６は、配管１９内の圧力と流量をそれぞれ常時計測し、制御器３１へ送信する。制御器３１は、圧力センサ２３および流量計２６の値が予め定めた閾値を超えた場合に、圧力または流量異常と判断し、モータ１３ａ、１６ｂの回転を停止する。これにより主として配管部２０で生じる液詰まりを検出し、緊急停止や異常高圧で連続送液システム５０が損傷するのを防止する。また、この圧力値及び流量値は、制御器３１内にの記憶手段３１ａに自動的に記録され、本連続送液システム５０を実験装置として使用する場合の実験データ、製造装置として用いるときの製造時の初期値データとして活用することもできる。
【００２７】
配管２４ａ、２４ｂ、２９に、は耐薬品性に優れたフッ素樹脂製のチューブが選ばれる。チューブの変形による送液量の変動を防ぐため、肉厚で硬いチューブが特に好ましい。送液液体が水等の腐食性が低い材質の液体であれば、ステンレス配管を用いても良い。
【００２８】
送液部１０では、制御器３１からの信号が信号線ｓ５、ｓ６を介してモータ１３ａ、１３ｂに送信されると、モータ１３ａ、１３ｂが回転する。モータ１３ａ、１３ｂの回転とともに、ボールネジ１４ａ、１４ｂが動き出す。そして、モータ１３ａ、１３ｂの回転運動が、図１では上下方向への往復運動に変換される。この時、２個のプランジャ１２ａ、１２ｂが送液動作あるいは吸引動作するように、モータ１３ａ、１３ｂの回転運動を制御器３１が制御する。
【００２９】
ボールネジ１４ａ、１４ｂに移動可能に取り付けられたライドブロック１５ａ、１５ｂは、ボールネジ１４ａ、１４ｂの動きに応じて、一方のスライドブロック１５ａが上に移動する場合は、他方のスライドブロック１５ｂが下へ移動することが可能になっている。すなわち各スライドブロック１５ａ、１５ｂは、反対方向に動くことも可能であるから、片方のプランジャ１２ａまたは１２ｂが送液動作中は、他方のプランジャ１２ｂまたは１２ａが吸引動作可能である。
【００３０】
このように、モータ１３ａ、１３ｂを複数個設けているので、プランジャ１２ａ、１２ｂを個別に制御できる。その結果、送液動作と吸引動作を異なる速度で行うことや、吸引動作完了時間を短くすること、送液動作を同時にすること、または他のシリンジポンプ１８ａまたは１８ｂの動作と異なる動作をさせること等のいろいろな動作をシリンジポンプにさせることが可能である。
【００３１】
本実施例で、モータ１３ａ、１３ｂの回転運動を往復運動に変換する手段として、ボールネジ１４ａ、１４ｂを用いた理由は以下のとおりである。回転運動を直線運動に変換する機構はいくつかあるが、移動量と速度を精密に伝達できるため、シリンジポンプ１８ａ、１８ｂのような微小量の送液に用いるポンプを制御するのに最も適しているためである。精密な送液精度が要求されない場合は、タイミングベルトやクランクなどの方法でもよい。
【００３２】
このように構成した連続送液システムの動作について、図２および図３を参照しながら説明する。図１で符号にａが付いた部品を「第１の」の接頭語を付して、符号にｂが付いた部品を「第２の」の接頭語を付して、以下に説明する。第１のシリンジポンプ１８ａを含む系を第１のシリンジポンプ系、第２のシリンジポンプ１８ｂを含む系を第２のシリンジポンプ系と呼ぶ。
【００３３】
図２に示すタイムチャートで、上側３個が第１のシリンジポンプ系におけるタイムチャート、下側３個が第２のシリンジポンプ系におけるタイムチャートである。横軸は時間ｔ（ｓ）であり、縦軸は第１のシリンジポンプ系でも第２のシリンジポンプ系でも、上から順にシリンジポンプ１８ａ、１８ｂから吐出される液体の流速（ｍｍ／ｓ）、シリンジ１１ａ、１１ｂの変位(ストローク)δ（ｍｍ）、ロータリーバルブ２２ａ、２２ｂの位置Ｌｏである。ここで、シリンジ１１ａ、１１ｂの径が第１、第２のシリンジポンプ系で同一であるから、シリンジポンプ１８ａ、１８ｂでの流体の流速Ｖは流量Ｑ(μＬ／ｓ)に比例する。図２で、Ａ１０〜Ａ２８で示した領域ごとに、この連続送液システム５０の動作を説明する。
［領域Ａ１０］
Ａ１０の領域は、この連続送液システム５０の起動時の動作である。すなわち、第１のシリンジポンプ系も第２のシリンジポンプ系も初期状態にあり、第１のロータリーバルブ２２ａは吸込側にあり、容器４０と連通している。第１のシリンジ１１ａは、初め全閉状態、つまり内容量０の状態にある。その後所定の速度でプランジャ１２ａを引き、最大ストロークとなる時間ｐ０まで引いたら、容器４０からの吸引を止める。このとき、第２のシリンジポンプ系は休止状態にある。本実施例では、第２のロータリーバルブ２２ｂも吸引側に設定されており、第２のシリンジ１１ｂは全閉状態となっている。
［領域Ａ１１］
Ａ１１の領域は、第１のロータリーバルブ２２ａの切換え動作の領域である。第１のシリンジポンプ系では吸引動作が終わったので、吐出動作に切替える必要がある。そこで、時間ｐ０〜ｐ１の間に、第１のロータリーバルブ２２ａを切替える。このとき、第１のロータリーバルブ２２ａ内部には送液に寄与しないデッドボリュームが形成されているので、このデッドボリューム分だけ予め送液しておく。第２のシリンジポンプ系は、依然初期状態を保つ。
［領域Ａ１２］
領域Ａ１２は、第１のシリンジポンプ１８ａでこの連続送液システム５０に予め定められた流量を送液する領域であり、時間ｐ１〜ｐ２だけ一定流速で送液する。このとき第２のシリンジポンプ１８ｂは、時間ｐ１よりも後の時間ｑ０に、容器４０からの溶液の吸引を開始する。時間ｑ０〜ｑ１の間、第２のプランジャ２２ｂが吸引して最大容量まで吸引すると、領域Ａ２１で表される続く時間ｑ１〜ｑ２の間に、第２のロータリーバルブ２２ｂを作動させて吸引から吐出状態に切り替える。このとき第１のロータリーバルブ２２ａと同様に、吐出に寄与しないデッドボリュームが生じているので、切換え終了時に需要元に吐出開始されるよう、第２のプランジャ２２ｂが吐出動作をする。
［領域Ａ１３と領域Ａ２２］
この領域が本発明の特徴的な領域である。第１のシリンジポンプ系と第２のシリンジポンプ系との切換え時の脈動を抑制するための領域である。すなわち第１のシリンジポンプ系での吐出動作が終わりに近づいたら、第２のシリンジポンプ系の吐出動作をオーバーラップさせることにより、徐々に第１のシリンジポンプ系の吐出動作から第２のシリンジポンプ系の吐出動作に移行させている。
【００３４】
時間ｐ２（＝ｑ２＝ｔ１）で、第１のプランジャ２２ａの減速を開始し、時間ｐ３（＝ｑ３＝ｔ２）になったら、第１のシリンジポンプ１８ａを全閉状態にする。この第１のシリンジポンプ１８ａでの流速（流量）低下分だけ、第２のシリンジポンプ１８ｂから溶液を吐出する。
［領域Ａ２３］
領域Ａ２３は、吐出動作が完全に第２のシリンジポンプ１８ｂに移行し、第２のシリンジポンプ１８ｂだけで所定容量だけ溶液を吐出する領域である。時間ｑ３〜ｑ４の間、この状態を継続する。第１のシリンジポンプ１８ａでは、この時間中に吸引動作を完了させ、吐出動作ができる状態にしておく必要がある。そのため、第２のシリンジポンプ１８ｂに吐出動作が移行した時間ｐ３からｐ４の間で、ロータリーバルブ２２ａを吸込側に切替える。それに引き続いて、容器４０から溶液の吸引を開始し、時間ｐ５で吸引を終える。吸引を終えたら、再びロータリーバルブ２２ａを吐出側に時間ｐ５〜ｐ６間に切替える。
［領域Ａ１４と領域Ａ２４］
第２のシリンジポンプ１８ｂから第１のシリンジポンプ１８ａへ、吐出動作を移行させる領域である。第１のシリンジポンプ１８ａが吐出動作をできる状態になった時間ｐ６（＝ｑ４＝ｔ３）で、第２のシリンジポンプ１８ｂからの吐出速度を減速させ、その流速（流量）低下分だけ、第１のシリンジポンプ１８ａから溶液を吐出する。
【００３５】
以後、上記動作を繰り返し、第１、第２のシリンジポンプ系の切換えによる、連続送液システム５０の吐出流れにおける脈動を防止する。すなわち、第１のシリンジポンプ系では、図２のｐ６〜ｐ１６で示したタイミングで、第１のロータリーバルブ２２ａおよび第１のプランジャ１２ａを動作させる。一方、第２のシリンジポンプ系では、ｑ５〜ｑ１５で示したタイミングで、第２のロータリーバルブ２２ｂおよび第２のプランジャ１２ｂを動作させる。ここで、ｔ４〜ｔ１０で示した時間には、第１のシリンジポンプ系と第２のシリンジポンプ系の切換えのタイミングを同期させる。図２に図示した動作を以後継続し、需要元に必要な容量だけ送液するまで繰り返す。
【００３６】
以上の第１、第２シリンジポンプ１８ａ、１８ｂの動作においては、図２から分かるように、プランジャ１２ａ、１２ｂの移動速度を、吸引動作のときに吐出動作のときよりも早くしている。その理由は、第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂの双方の吐出動作をオーバーラップさせる必要があることと、吸引の場合は真空吸引であるのに対し、吐出の場合数１００ｋＰａ下での流動となるからで、真空吸引の場合流動抵抗が小さく必要動力も吐出に比べて小さくできるからである。
【００３７】
上記連続送液システム５０の動作フローを、図３に示したフローチャートで説明する。この図３では、第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂにおける第１、第２のプランジャ１２ａ、１２ｂの動作を、全てポンプで表している。
【００３８】
連続送液ポンプシステム５０を起動すると、制御器３１は第１、第２のシリンジポンプ系を初期状態に設定する（ステップ１００）。次いで、第１のシリンジポンプ１８ａで容器４０から溶液をシリンジ１１ａ内に吸引する（ステップ１０２）。第１のプランジャ１２ａが最大ストロークまたは所定容量位置まで移動して吸引が完了したか否かを制御器３１が判断する（ステップ１０４）。なお、ステッピングモータを第１の駆動モータ１３ａに使用するときは、所要ステップ数に達したか否かを駆動モータ１３ａが判断する。
【００３９】
第１のシリンジポンプ１８ａの吸引が完了していれば、第１のロータリーバルブ２２ａを吸引側から吐出側へ切替える。それとともに、第１のロータリーバルブ２２ａとこの第１のロータリーバルブ２２ａの接続部分のデッドボリューム分だけ、第１のシリンジポンプ１８ａから溶液を吐出する（ステップ１０６）。第１のロータリーバルブ２２ａの切換えが完了したか否かを、制御器３１が判定する（ステップ１０８）。
【００４０】
第１のロータリーバルブ２２ａが完全に吐出側に切替えられていたら、一定速度で第１のプランジャ１２ａを押し込み第１のシリンジ１１ａ内の溶液を吐出する（ステップ１１０）。このステップ１１０の動作中に、第２のシリンジポンプ１８ｂが容器４０から溶液をシリンジ１１ｂ内に吸引する（ステップ１１２）。そして、第２のプランジャ１２ｂが最大ストロークまたは所定容量位置まで移動して吸引が完了したか否かを制御器３１が判断する（ステップ１１４）。なお、ステッピングモータを第２の駆動モータ１３ｂに使用するときは、所要ステップ数に達したか否かを駆動モータ１３ｂが判断する。
【００４１】
第２のシリンジポンプ１８ｂの吸引が完了していれば、第２のロータリーバルブ２２ｂを吸引側から吐出側へ切替える。それとともに、第２のロータリーバルブ２２ｂとこの第２のロータリーバルブ２２ｂの接続部分のデッドボリューム分だけ、第２のシリンジポンプ１８ｂから溶液を吐出する（ステップ１１６）。
【００４２】
第２のロータリーバルブ２２ｂの切換えが完了したか否かを、制御器３１が判定する（ステップ１１８）。第２のロータリーバルブ２２ｂが完全に吐出側に切替えられていたら、制御器３１は第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂの同期を取る。すなわち、第１のシリンジポンプ１８ａの第１のプランジャ１２ａを減速させる。そして、この減速分と同じ分だけ第２のシリンジポンプ１８ｂのプランジャ１２ｂを、同じタイミングで加速させる（ステップ１２０）。これにより、配管１９部から吐出される溶液の量を不変とすることができる。
【００４３】
第１のシリンジポンプ１８ａのプランジャ１２ａの速度が０になり、第２のシリンジポンプ１８ｂのプランジャ１２ｂの速度が最大または所定値になったか否かを制御器３１が判断する（ステップ１２２）。所定値になっていれば、第２のシリンジポンプ１８ｂはその速度を維持する（ステップ１２４）。
【００４４】
一方、第１のシリンジポンプ１８ａでは、第２のシリンジポンプ１８ｂが一定速で吐出している間に、以下のステップを実行する。すなわち、第１のロータリーバルブ２２ａを吐出側から吸引側に切替える（ステップ１２６）。そして、第１のロータリーバルブ２２ａが切り替わったかを判断する（ステップ１２８）。次いで、容器４０から溶液を吸引する（ステップ１３０）。所定容量または最大ストロークまで第１のプランジャ１２ａが吸引したか否かを制御器３１が判断する（ステップ１３２）。その後、第１のロータリーバルブ２２ａを吸引側から吐出側に切替える（ステップ１３４）。制御器が完全に第１のロータリーバルブ２２ａが切り替わったかを判断する（ステップ１３６）。
【００４５】
第１のロータリーバルブ２２ａが吐出側に完全に切り替わっていたら、制御器３１は、第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂの同期を取る。すなわち、第２のシリンジポンプ１８ｂの第２のプランジャ１２ｂを減速させる。そして、この減速分と同じ分だけ第１のシリンジポンプ１８ａのプランジャ１２ａを、同じタイミングで加速させる（ステップ１３８）。
【００４６】
第２のシリンジポンプ１８ｂの流速が０になり、第１のシリンジポンプ１８ａの流速が最大値または所定値に達したか否かを制御器３１が判断する（ステップ１４０）。ついで、第１のシリンジポンプ１８ａには、この流速を維持させる（ステップ１４２）。ステップ１４２で、第１のシリンジポンプ１８ａが一定速で溶液を吐出している間、第２のシリンジポンプ１８ｂでは、以下の動作をする。
【００４７】
すなわち、第２のロータリーバルブ２２ｂを吐出側から吸引側に切替える（ステップ１４４）。そして、制御器３１が完全に第２のロータリーバルブ２２ｂが切り替わったかを判断する（ステップ１４６）次いで、容器４０から溶液を吸引する（ステップ１４８）。所定容量または最大ストロークまで第２のプランジャ１２ｂが吸引したか否かを制御器３１が判断する（ステップ１５０）。その後、第２のロータリーバルブ２２ｂを吸引側から吐出側に切替える（ステップ１５２）。制御器３１が完全に第２のロータリーバルブ２２ｂが切り替わったかを判断する（ステップ１５４）。
【００４８】
第２のロータリーバルブ２２ｂが吐出側に完全に切り替わっていたら、制御器３１は、第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂの同期を取る。すなわち、第１のシリンジポンプ１８ａの第１のプランジャ１２ａを減速させる。そして、この減速分と同じ分だけ第２のシリンジポンプ１８ｂのプランジャ１２ｂを、同じタイミングで加速させる（ステップ１５６）。ステップ１５８〜ステップ１７２は、ステップ１２０〜ステップ１３６までの動作と同じである。
【００４９】
以下、上記ステップ、例えば１２４〜ステップ１５０、すなわち時間ｔ２〜ｔ５の間の動作を、需要元の要求する容量が送液されるまで繰り返す。なお、本フローチャートでは、制御器３１が第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂの動作および第１、第２のロータリーバルブ２２ａ、２２ｂの切換えをフィードバック的に制御するようにしているが、第１、第２のモータ１ａ、１３ｂをステップモータとして、第１、第２のモータ１３ａ、１３ｂの制御手段がフィードフォワード的に各機器を制御するようにしてもよい。
【００５０】
本実施例によれば、第１のプランジャ１２ａの送液動作完了直前の減速動作開始タイミングで、第２のプランジャ１２ｂの送液（加速）動作を開始する、およびこの逆動作をするので、第１、第２のプランジャ１２ａ、１２ｂの送液動作がオーバーラップする。したがって、２個のプランジャ１２ａ、１２ｂにおいては、互いに減速と加速のスピードを合わせることにより、設定値の送液速度が維持され脈動無く安定した連続送液となる。
【００５１】
また、第１、第２のプランジャ１２ａ、１２ｂの切替動作タイミングは、第１、第２のモータ１３ａ、１３ｂの回転を制御する、制御器３１かのパルス値をカウントするだけで、一方のプランジャ１２ａ（または１２ｂ）が減速動作を開始するタイミングが分かり、他方のプランジャ１２ｂ（または１２ａ）の送液（加速）動作が同期して開始される。
【００５２】
さらに、各機器の動作タイミングを装置の自動自己学習により決定できる機能を設ければ、最適な無脈動送液を行うことが可能となる。具体的には、自動自己学習機能として、プランジャの切替タイミング、すなわちモータの起動タイミングと加減速時間を数パターン自動で順次動作させ、圧力センサ或いは流量計の計測値が最も安定するタイミングを制御器に記録させて、送液動作に反映すればよい。
【符号の説明】
【００５３】
１０…送液部
１１ａ、１１ｂ…シリンジ
１２ａ、１２ｂ…プランジャ
１３ａ、１３ｂ…モータ
１４ａ、１４ｂ…ボールネジ
１５ａ、１５ｂ…スライドブロック
１８ａ、１８ｂ…シリンジポンプ
１９…配管
２０…配管部
２１ａ、２１ｂ…アダプタ
２２ａ、２２ｂ…ロータリーバルブ
２３…圧力センサ
２４ａ、２４ｂ…配管
２５…配管合流点
２６…流量計
２７ａ、２７ｂ…配管、
２８…配管合流点
２９…配管
３０…制御部
３１…制御器
３２…入出力デバイス
３１ａ…記憶手段
３１ｂ…演算手段
４０…容器
４２…機構部
５０…連続送液システム
ｓ１〜ｓ６…信号線
ｐ０〜ｐ１６…時間
ｑ０〜ｑ１５…時間
ｔ１〜ｔ１０…時間
Ａ１０〜Ａ２８…領域
【技術分野】
【０００１】
本発明は連続送液システムおよびその制御方法に係り、特にシリンジポンプ等の微小流量を送液する送液手段を有する連続送液システムおよびその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
微小な流量、例えば１０ｍｌ／ｍｉｎ程度の送液には、シリンジポンプ等が多用される。シリンジポンプは、送液する液体の種類や配管系が変更された結果、圧力損失が変動しても、送液量が変動せず、安定した定量の送液が可能である。この特徴を利用して、化学分野などの計測機器に利用される。
【０００３】
ところで、シリンジポンプは、シリンジ内に収容された所定容量の液体をプランジャで押し出す構造であり、シリンジ内の所定容量分の液体を吐出し切ると送液を一端停止し、再度液体を吸引する必要が生じる。液体を吸引中は当然ながら送液が停止するので、送液が中断される。そこで、２個のシリンジポンプ用いて送液の中断を防止することが種々提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１に記載のシステムでは、使用する液の置換性と脈動を防止するために、２個のシリンジポンプを直列に接続し、片方のシリンジが液体吸引中に他方のシリンジが液体を吐出するように動作させて送液の切れ目を抑えている。
【０００５】
複数のシリンジポンプを並列接続する例が、特許文献２、３に記載されている。特許文献２に記載の枚葉塗工装置では、マイクロシリンジポンプ２台を並列に接続し、一方のポンプが塗料タンクから吸引中は、他方のポンプがステージ上の基板に塗装している。また、特許文献３に記載のシリンジポンプユニットでは、揺動アームの両端側にシリンジポンプのピストンの基端部を挟み込んで、一方のピストンが吐出動作のときは他方のピストンが吸引動作するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２９３９４６号公報
【特許文献２】特開平８−１８２９５２号公報
【特許文献３】特開２００６−２６６４５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１に記載の従来の液体クロマトグラフは、上流側シリンジポンプと下流側シリンジポンプの２つを直列に組み合わせ、上流側のシリンジポンプの入口側と出口側に液の逆流を防ぐ逆止弁を備えている。そして、上流側のシリンジポンプからの送液の切れ目を下流側のシリンジポンプで補って送液している。つまり、この送液ポンプでは、上流側シリンジポンプが液体を吐出しているときに、下流側シリンジポンプが液体を吸引して送液の切れ目を防止しているので、上流側シリンジポンプには、装置として要求されている吐出量に加え、下流側シリンジポンプが吸引する吸引量も吐出量に含まれるので、ポンプの動力が増大する。
【０００８】
また、送液の切れ目をなくすために逆止弁を使用しているが、逆止弁を使用するとデッドボリュームを低減できる利点があるが、流路断面積が減少するので送液中の液体に析出した微小な固形物や送液する液体自体が予め微粒子を含むスラリー液における微粒子が異物として咬み込まれるおそれがある。
【０００９】
また、並列接続した特許文献２に記載の装置の場合には、各シリンジポンプに接続した切換弁を切換えて塗工動作と吸引動作を交互に実行しているが、この公報に記載のものは、シリンジポンプの塗工動作と吸引動作の切換え時が基板の交換時になるので、いわゆるバッチ処理であり、ポンプを切換えながら連続的に液を供給することについては考慮されていない。
【００１０】
さらに特許文献３に記載のシリンジポンプユニットは、シリンジポンプを並列接続し電磁切換弁で吸引動作と塗布動作とを切換えている。この公報に記載のものは、塗布動作に使用するシリンジポンプを交換する際には、一端塗布位置からノズル位置を変更して塗布を中止するようにしている。すなわち、この公報に記載のものでも、連続的に液を供給することについては、考慮されていない。
【００１１】
本発明は、上記従来技術の不具合に鑑みなされたものであり、その目的は、微小流量を送液時に逆流の切れ目を防止しながら、送液動作に使用するポンプを切り替えたときであっても送液量の変動を抑制することにある。本発明の他の目的は、継続して一定の微小流量を送液する信頼性の高い送液システムを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成する本発明の特徴は、容器に収容された液体を吸引し、加圧して需要元へ吐出する連続送液システムであって、前記容器に連通する複数のポンプと、この複数のポンプの各々に設けられ、前記ポンプと前記容器間に配置したバルブと、前記ポンプの各々に設けられ前記ポンプを駆動するモータと、前記モータと前記バルブを制御する制御器とを備え、前記制御器は、予め定められた流量を需要元へ単独のポンプで吐出するときは他のポンプを吸引動作または停止させ、前記単独のポンプが吐出するときの吐出開始時からの所定時間および吐出終了直前の所定時間は単独で吐出するまたは吐出していたポンプの吐出流量を減らし、他のポンプにこの減らした流量だけ吐出させるように前記複数のポンプおよび前記バルブを制御することにある。
【００１３】
そしてこの特徴において、前記バルブはロータリーバルブであり、前記複数のポンプは複数のシリンジポンプであり、前記制御器は前記複数のシリンジポンプの吐出動作と吸引動作を切換えて連続送液を制御することが好ましく、前記複数のポンプは２台のシリンジポンプであり、前記制御器は、前記２台のシリンジポンプから単独吐出動作を交互に繰り返させ、前記各シリンジポンプの単独吐出の前後には双方のシリンジポンプによる吐出動作として吐出動作がオーバーラップするよう制御することが望ましい。
【００１４】
また上記特徴において、前記ポンプの吐出部と需要元との間に前記ポンプから吐出される液体の流量を検出する流量計と圧力を検出する圧力計を有し、前記ポンプを駆動する前記モータの起動タイミングと加減速時間との組み合わせパターンの制御データテーブルを記憶する記憶手段を前記制御器に備え、前記制御器は前記記憶手段に記憶された前記制御データを用いて前記ポンプを駆動し、前記圧力センサ及び前記流量計の計測値が最も安定となる条件で前記ポンプを駆動するものであってもよい。
【００１５】
上記目的を達成する本発明の他の特徴は、容器に連通する同容量の２台のシリンジポンプと、これら２台のシリンジポンプの各々に設けられ前記シリンジポンプと前記容器間に配置したロータリーバルブと、前記シリンジポンプの各々に設けられ前記シリンジポンプを駆動するモータと、前記モータと前記ロータリーバルブを制御する制御器とを用いて、容器に収容された液体を吸引し、加圧して需要元へ吐出する連続送液システムの制御方法において、前記２台のシリンジポンプを交互に吸引動作と吐出動作させ、一方のシリンジポンプが単独で吸引しているときに他方のシリンジポンプで吸引動作させ、一方のシリンジポンプの単独動作開始直前の所定時間および単独動作終了前の所定時間だけ他方のシリンジポンプも吐出動作し、これら双方のシリンジポンプが吐出動作するときは、前記一方のシリンジポンプの速度を減速させ、前記他方のシリンジポンプに前記一方のシリンジポンプの減速量だけ加速させることにある。
【００１６】
そしてこの特徴において、前記一方のシリンジポンプが単独吐出動作している間に、前記他方のシリンジポンプに接続された前記ロータリーバルブを吐出側から吸引側へ切換え、この他方のシリンジポンプで前記容器から溶液を吸引し、さらに前記他方のシリンジポンプに接続された前記ロータリーバルブを吸引側から吐出側へ切換えるのがよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、シリンジポンプを２台並列に接続し、それぞれのシリンジポンプにロータリーバルブを付設し、一方のシリンジポンプの吐出動作が終了する前に他のシリンジポンプを吐出動作させているので、異物等による目詰まりを防止できるとともに、バルブの切り替え動作時に生じるシリンジポンプからの送液量の変動を抑制できる。また、継続して一定の微小流量を送液する信頼性の高い送液システムを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係る連続送液システムの一実施例のブロック図である。
【図２】図１に示した連続送液システムが備えるポンプおよびバルブの動作を示すタイミングチャートである
【図３Ａ】図１に示した連続送液システムの制御を示すフローチャートである。
【図３Ｂ】図１に示した連続送液システムの制御を示すフローチャートである。
【図３Ｃ】図１に示した連続送液システムの制御を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明に係る連続送液システムの一実施例について、図面を用いて説明する。図１は、連続送液システム５０のブロック図であり、図２はシリンジポンプおよびロータリーバルブの動作を示すタイミングチャート、図３はこの連続送液システム５０が備えるシリンジポンプおよびロータリーバルブの制御フローチャートである。
【００２０】
連続送液システム５０は、筐体内に保持される機構部４２と、筐体内に着脱可能に取り付けられる送液対象の流体が収容された容器４０と、この連続送液システム５０を制御する制御部３０とに分かれる。そして、機構部４２は、この連続送液システム５０の中枢をなす送液部１０と、この送液部１０の下流側に位置する配管部２０とを備える。
【００２１】
送液部１０では、第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂが２台平行に配置されている。第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂのシリンジ１１ａ、１１ｂには、プランジャ１２ａ、１２ｂが挿入されている。プランジャ１２ａ、１２ｂのシリンジ１１ａ、１１ｂへの挿入側と反対端部は、ボールネジ１４ａ、１４ｂのスライドブロック１５ａ、１５ｂに固定されている。ボールネジ１４ａ、１４ｂは、モータ１３ａ、１３ｂで駆動される。
【００２２】
シリンジポンプ１８ａ、１８ｂの吐出側には、配管接続のためのアダプタ２１ａ、２１ｂが取り付けられており、このアダプタ２１ａ、２１ｂの下流側は、ロータリーバルブ２２ａ、２２ｂの１次側に接続されている。ロータリーバルブ２２ａ、２２ｂの２次側は、一方が配管２４ａ、２４ｂを介して容器４０に、他方が需要先に接続される配管２７ａ、２７ｂに接続されている。この需要先への配管２７ａ、２７ｂは、配管合流点２５で１本の配管１９にまとめられ、流量計２６を介して図示しない需要元へ接続されている。容器に接続された配管２４ａ、２４ｂも、配管合流点２８で１本の配管２９にまとめられて、容器４０に接続されている。
【００２３】
需要元への配管１９の途中であって流量計２６の下流側には、圧力センサ２３が取り付けられている。圧力センサ２３および流量計２６が検出した信号は、制御部３０が有するパーソナルコンピュータ等の制御器３１に、信号線ｓ１、ｓ２を介して入力される。制御器３１は、記憶手段３１ａおよび演算手段３１ｂを有する。記憶手段３１ａには、予め設定された流量などのデータが記憶されている。制御器３１には、マウスやキーボード、ディスプレイ等の入出力デバイス３２が付設されている。制御器３１は、入力された信号に基づいて、各種指令をロータリーバルブ２２ａ、２２ｂやボールネジ１４ａ、１４ｂを駆動するモータ１３ａ、１３ｂに、信号線ｓ３〜ｓ６を介して出力する。
【００２４】
すなわち、各シリンジ１１ａ、１１ｂ内をプランジャ１２ａ、１２ｂが往復することにより、容器４０から配管２４ａ、２４ｂを経てシリンジ１１ａ、１１ｂ内に吸引された液体を、配管２７ａ、２７ｂから吐出する。プランジャ１２ａ、１２ｂは、動力源となるモータ１３ａ、１３ｂにより、駆動される。その際、モータ１３ａ、１３ｂの回転運動が、ボールネジ１４ａ、１４ｂとスライドブロック１５ａ、１５ｂにより、往復運動へと変換される。
【００２５】
アダプタ２１ａ、２１ｂは、様々な容量のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂを、この連続送液システム５０が使えるようにする継手であり、ロータリーバルブ２１ａ、２１ｂに各サイズのシリンジポンプ１８ａ、１８ｂを漏れることなく接続する。すなわち、アダプタ２１ａ、２１ｂのロータリーバルブ２２側への取り付け部には、ネジが切ってあり、ロータリーバルブ２２とネジ締結されている。アダプタ２１ａ、２１ｂのシリンジ１１側の取り付け部には、ルアーロック型の接続口が設けられている。化学・医療分野などで一般的に使用されている先端がルアーロック形状のシリンジ１１であれば、容量を問わず接続することができる。この連続送液システム５０の定格流量の変化に合わせてシリンジ１１ａ、１１ｂを変更するだけで、幅広い送液条件に対応できる。また、シリンジ１１ａ、１１ｂを取り外して、洗浄することも容易である。
【００２６】
ロータリーバルブ２２ａ、２２ｂは、各シリンジポンプ１８ａ、１８ｂに吸引動作をさせるのか、吐出動作をさせるのかを切り替える。圧力センサ２３および流量計２６は、配管１９内の圧力と流量をそれぞれ常時計測し、制御器３１へ送信する。制御器３１は、圧力センサ２３および流量計２６の値が予め定めた閾値を超えた場合に、圧力または流量異常と判断し、モータ１３ａ、１６ｂの回転を停止する。これにより主として配管部２０で生じる液詰まりを検出し、緊急停止や異常高圧で連続送液システム５０が損傷するのを防止する。また、この圧力値及び流量値は、制御器３１内にの記憶手段３１ａに自動的に記録され、本連続送液システム５０を実験装置として使用する場合の実験データ、製造装置として用いるときの製造時の初期値データとして活用することもできる。
【００２７】
配管２４ａ、２４ｂ、２９に、は耐薬品性に優れたフッ素樹脂製のチューブが選ばれる。チューブの変形による送液量の変動を防ぐため、肉厚で硬いチューブが特に好ましい。送液液体が水等の腐食性が低い材質の液体であれば、ステンレス配管を用いても良い。
【００２８】
送液部１０では、制御器３１からの信号が信号線ｓ５、ｓ６を介してモータ１３ａ、１３ｂに送信されると、モータ１３ａ、１３ｂが回転する。モータ１３ａ、１３ｂの回転とともに、ボールネジ１４ａ、１４ｂが動き出す。そして、モータ１３ａ、１３ｂの回転運動が、図１では上下方向への往復運動に変換される。この時、２個のプランジャ１２ａ、１２ｂが送液動作あるいは吸引動作するように、モータ１３ａ、１３ｂの回転運動を制御器３１が制御する。
【００２９】
ボールネジ１４ａ、１４ｂに移動可能に取り付けられたライドブロック１５ａ、１５ｂは、ボールネジ１４ａ、１４ｂの動きに応じて、一方のスライドブロック１５ａが上に移動する場合は、他方のスライドブロック１５ｂが下へ移動することが可能になっている。すなわち各スライドブロック１５ａ、１５ｂは、反対方向に動くことも可能であるから、片方のプランジャ１２ａまたは１２ｂが送液動作中は、他方のプランジャ１２ｂまたは１２ａが吸引動作可能である。
【００３０】
このように、モータ１３ａ、１３ｂを複数個設けているので、プランジャ１２ａ、１２ｂを個別に制御できる。その結果、送液動作と吸引動作を異なる速度で行うことや、吸引動作完了時間を短くすること、送液動作を同時にすること、または他のシリンジポンプ１８ａまたは１８ｂの動作と異なる動作をさせること等のいろいろな動作をシリンジポンプにさせることが可能である。
【００３１】
本実施例で、モータ１３ａ、１３ｂの回転運動を往復運動に変換する手段として、ボールネジ１４ａ、１４ｂを用いた理由は以下のとおりである。回転運動を直線運動に変換する機構はいくつかあるが、移動量と速度を精密に伝達できるため、シリンジポンプ１８ａ、１８ｂのような微小量の送液に用いるポンプを制御するのに最も適しているためである。精密な送液精度が要求されない場合は、タイミングベルトやクランクなどの方法でもよい。
【００３２】
このように構成した連続送液システムの動作について、図２および図３を参照しながら説明する。図１で符号にａが付いた部品を「第１の」の接頭語を付して、符号にｂが付いた部品を「第２の」の接頭語を付して、以下に説明する。第１のシリンジポンプ１８ａを含む系を第１のシリンジポンプ系、第２のシリンジポンプ１８ｂを含む系を第２のシリンジポンプ系と呼ぶ。
【００３３】
図２に示すタイムチャートで、上側３個が第１のシリンジポンプ系におけるタイムチャート、下側３個が第２のシリンジポンプ系におけるタイムチャートである。横軸は時間ｔ（ｓ）であり、縦軸は第１のシリンジポンプ系でも第２のシリンジポンプ系でも、上から順にシリンジポンプ１８ａ、１８ｂから吐出される液体の流速（ｍｍ／ｓ）、シリンジ１１ａ、１１ｂの変位(ストローク)δ（ｍｍ）、ロータリーバルブ２２ａ、２２ｂの位置Ｌｏである。ここで、シリンジ１１ａ、１１ｂの径が第１、第２のシリンジポンプ系で同一であるから、シリンジポンプ１８ａ、１８ｂでの流体の流速Ｖは流量Ｑ(μＬ／ｓ)に比例する。図２で、Ａ１０〜Ａ２８で示した領域ごとに、この連続送液システム５０の動作を説明する。
［領域Ａ１０］
Ａ１０の領域は、この連続送液システム５０の起動時の動作である。すなわち、第１のシリンジポンプ系も第２のシリンジポンプ系も初期状態にあり、第１のロータリーバルブ２２ａは吸込側にあり、容器４０と連通している。第１のシリンジ１１ａは、初め全閉状態、つまり内容量０の状態にある。その後所定の速度でプランジャ１２ａを引き、最大ストロークとなる時間ｐ０まで引いたら、容器４０からの吸引を止める。このとき、第２のシリンジポンプ系は休止状態にある。本実施例では、第２のロータリーバルブ２２ｂも吸引側に設定されており、第２のシリンジ１１ｂは全閉状態となっている。
［領域Ａ１１］
Ａ１１の領域は、第１のロータリーバルブ２２ａの切換え動作の領域である。第１のシリンジポンプ系では吸引動作が終わったので、吐出動作に切替える必要がある。そこで、時間ｐ０〜ｐ１の間に、第１のロータリーバルブ２２ａを切替える。このとき、第１のロータリーバルブ２２ａ内部には送液に寄与しないデッドボリュームが形成されているので、このデッドボリューム分だけ予め送液しておく。第２のシリンジポンプ系は、依然初期状態を保つ。
［領域Ａ１２］
領域Ａ１２は、第１のシリンジポンプ１８ａでこの連続送液システム５０に予め定められた流量を送液する領域であり、時間ｐ１〜ｐ２だけ一定流速で送液する。このとき第２のシリンジポンプ１８ｂは、時間ｐ１よりも後の時間ｑ０に、容器４０からの溶液の吸引を開始する。時間ｑ０〜ｑ１の間、第２のプランジャ２２ｂが吸引して最大容量まで吸引すると、領域Ａ２１で表される続く時間ｑ１〜ｑ２の間に、第２のロータリーバルブ２２ｂを作動させて吸引から吐出状態に切り替える。このとき第１のロータリーバルブ２２ａと同様に、吐出に寄与しないデッドボリュームが生じているので、切換え終了時に需要元に吐出開始されるよう、第２のプランジャ２２ｂが吐出動作をする。
［領域Ａ１３と領域Ａ２２］
この領域が本発明の特徴的な領域である。第１のシリンジポンプ系と第２のシリンジポンプ系との切換え時の脈動を抑制するための領域である。すなわち第１のシリンジポンプ系での吐出動作が終わりに近づいたら、第２のシリンジポンプ系の吐出動作をオーバーラップさせることにより、徐々に第１のシリンジポンプ系の吐出動作から第２のシリンジポンプ系の吐出動作に移行させている。
【００３４】
時間ｐ２（＝ｑ２＝ｔ１）で、第１のプランジャ２２ａの減速を開始し、時間ｐ３（＝ｑ３＝ｔ２）になったら、第１のシリンジポンプ１８ａを全閉状態にする。この第１のシリンジポンプ１８ａでの流速（流量）低下分だけ、第２のシリンジポンプ１８ｂから溶液を吐出する。
［領域Ａ２３］
領域Ａ２３は、吐出動作が完全に第２のシリンジポンプ１８ｂに移行し、第２のシリンジポンプ１８ｂだけで所定容量だけ溶液を吐出する領域である。時間ｑ３〜ｑ４の間、この状態を継続する。第１のシリンジポンプ１８ａでは、この時間中に吸引動作を完了させ、吐出動作ができる状態にしておく必要がある。そのため、第２のシリンジポンプ１８ｂに吐出動作が移行した時間ｐ３からｐ４の間で、ロータリーバルブ２２ａを吸込側に切替える。それに引き続いて、容器４０から溶液の吸引を開始し、時間ｐ５で吸引を終える。吸引を終えたら、再びロータリーバルブ２２ａを吐出側に時間ｐ５〜ｐ６間に切替える。
［領域Ａ１４と領域Ａ２４］
第２のシリンジポンプ１８ｂから第１のシリンジポンプ１８ａへ、吐出動作を移行させる領域である。第１のシリンジポンプ１８ａが吐出動作をできる状態になった時間ｐ６（＝ｑ４＝ｔ３）で、第２のシリンジポンプ１８ｂからの吐出速度を減速させ、その流速（流量）低下分だけ、第１のシリンジポンプ１８ａから溶液を吐出する。
【００３５】
以後、上記動作を繰り返し、第１、第２のシリンジポンプ系の切換えによる、連続送液システム５０の吐出流れにおける脈動を防止する。すなわち、第１のシリンジポンプ系では、図２のｐ６〜ｐ１６で示したタイミングで、第１のロータリーバルブ２２ａおよび第１のプランジャ１２ａを動作させる。一方、第２のシリンジポンプ系では、ｑ５〜ｑ１５で示したタイミングで、第２のロータリーバルブ２２ｂおよび第２のプランジャ１２ｂを動作させる。ここで、ｔ４〜ｔ１０で示した時間には、第１のシリンジポンプ系と第２のシリンジポンプ系の切換えのタイミングを同期させる。図２に図示した動作を以後継続し、需要元に必要な容量だけ送液するまで繰り返す。
【００３６】
以上の第１、第２シリンジポンプ１８ａ、１８ｂの動作においては、図２から分かるように、プランジャ１２ａ、１２ｂの移動速度を、吸引動作のときに吐出動作のときよりも早くしている。その理由は、第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂの双方の吐出動作をオーバーラップさせる必要があることと、吸引の場合は真空吸引であるのに対し、吐出の場合数１００ｋＰａ下での流動となるからで、真空吸引の場合流動抵抗が小さく必要動力も吐出に比べて小さくできるからである。
【００３７】
上記連続送液システム５０の動作フローを、図３に示したフローチャートで説明する。この図３では、第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂにおける第１、第２のプランジャ１２ａ、１２ｂの動作を、全てポンプで表している。
【００３８】
連続送液ポンプシステム５０を起動すると、制御器３１は第１、第２のシリンジポンプ系を初期状態に設定する（ステップ１００）。次いで、第１のシリンジポンプ１８ａで容器４０から溶液をシリンジ１１ａ内に吸引する（ステップ１０２）。第１のプランジャ１２ａが最大ストロークまたは所定容量位置まで移動して吸引が完了したか否かを制御器３１が判断する（ステップ１０４）。なお、ステッピングモータを第１の駆動モータ１３ａに使用するときは、所要ステップ数に達したか否かを駆動モータ１３ａが判断する。
【００３９】
第１のシリンジポンプ１８ａの吸引が完了していれば、第１のロータリーバルブ２２ａを吸引側から吐出側へ切替える。それとともに、第１のロータリーバルブ２２ａとこの第１のロータリーバルブ２２ａの接続部分のデッドボリューム分だけ、第１のシリンジポンプ１８ａから溶液を吐出する（ステップ１０６）。第１のロータリーバルブ２２ａの切換えが完了したか否かを、制御器３１が判定する（ステップ１０８）。
【００４０】
第１のロータリーバルブ２２ａが完全に吐出側に切替えられていたら、一定速度で第１のプランジャ１２ａを押し込み第１のシリンジ１１ａ内の溶液を吐出する（ステップ１１０）。このステップ１１０の動作中に、第２のシリンジポンプ１８ｂが容器４０から溶液をシリンジ１１ｂ内に吸引する（ステップ１１２）。そして、第２のプランジャ１２ｂが最大ストロークまたは所定容量位置まで移動して吸引が完了したか否かを制御器３１が判断する（ステップ１１４）。なお、ステッピングモータを第２の駆動モータ１３ｂに使用するときは、所要ステップ数に達したか否かを駆動モータ１３ｂが判断する。
【００４１】
第２のシリンジポンプ１８ｂの吸引が完了していれば、第２のロータリーバルブ２２ｂを吸引側から吐出側へ切替える。それとともに、第２のロータリーバルブ２２ｂとこの第２のロータリーバルブ２２ｂの接続部分のデッドボリューム分だけ、第２のシリンジポンプ１８ｂから溶液を吐出する（ステップ１１６）。
【００４２】
第２のロータリーバルブ２２ｂの切換えが完了したか否かを、制御器３１が判定する（ステップ１１８）。第２のロータリーバルブ２２ｂが完全に吐出側に切替えられていたら、制御器３１は第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂの同期を取る。すなわち、第１のシリンジポンプ１８ａの第１のプランジャ１２ａを減速させる。そして、この減速分と同じ分だけ第２のシリンジポンプ１８ｂのプランジャ１２ｂを、同じタイミングで加速させる（ステップ１２０）。これにより、配管１９部から吐出される溶液の量を不変とすることができる。
【００４３】
第１のシリンジポンプ１８ａのプランジャ１２ａの速度が０になり、第２のシリンジポンプ１８ｂのプランジャ１２ｂの速度が最大または所定値になったか否かを制御器３１が判断する（ステップ１２２）。所定値になっていれば、第２のシリンジポンプ１８ｂはその速度を維持する（ステップ１２４）。
【００４４】
一方、第１のシリンジポンプ１８ａでは、第２のシリンジポンプ１８ｂが一定速で吐出している間に、以下のステップを実行する。すなわち、第１のロータリーバルブ２２ａを吐出側から吸引側に切替える（ステップ１２６）。そして、第１のロータリーバルブ２２ａが切り替わったかを判断する（ステップ１２８）。次いで、容器４０から溶液を吸引する（ステップ１３０）。所定容量または最大ストロークまで第１のプランジャ１２ａが吸引したか否かを制御器３１が判断する（ステップ１３２）。その後、第１のロータリーバルブ２２ａを吸引側から吐出側に切替える（ステップ１３４）。制御器が完全に第１のロータリーバルブ２２ａが切り替わったかを判断する（ステップ１３６）。
【００４５】
第１のロータリーバルブ２２ａが吐出側に完全に切り替わっていたら、制御器３１は、第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂの同期を取る。すなわち、第２のシリンジポンプ１８ｂの第２のプランジャ１２ｂを減速させる。そして、この減速分と同じ分だけ第１のシリンジポンプ１８ａのプランジャ１２ａを、同じタイミングで加速させる（ステップ１３８）。
【００４６】
第２のシリンジポンプ１８ｂの流速が０になり、第１のシリンジポンプ１８ａの流速が最大値または所定値に達したか否かを制御器３１が判断する（ステップ１４０）。ついで、第１のシリンジポンプ１８ａには、この流速を維持させる（ステップ１４２）。ステップ１４２で、第１のシリンジポンプ１８ａが一定速で溶液を吐出している間、第２のシリンジポンプ１８ｂでは、以下の動作をする。
【００４７】
すなわち、第２のロータリーバルブ２２ｂを吐出側から吸引側に切替える（ステップ１４４）。そして、制御器３１が完全に第２のロータリーバルブ２２ｂが切り替わったかを判断する（ステップ１４６）次いで、容器４０から溶液を吸引する（ステップ１４８）。所定容量または最大ストロークまで第２のプランジャ１２ｂが吸引したか否かを制御器３１が判断する（ステップ１５０）。その後、第２のロータリーバルブ２２ｂを吸引側から吐出側に切替える（ステップ１５２）。制御器３１が完全に第２のロータリーバルブ２２ｂが切り替わったかを判断する（ステップ１５４）。
【００４８】
第２のロータリーバルブ２２ｂが吐出側に完全に切り替わっていたら、制御器３１は、第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂの同期を取る。すなわち、第１のシリンジポンプ１８ａの第１のプランジャ１２ａを減速させる。そして、この減速分と同じ分だけ第２のシリンジポンプ１８ｂのプランジャ１２ｂを、同じタイミングで加速させる（ステップ１５６）。ステップ１５８〜ステップ１７２は、ステップ１２０〜ステップ１３６までの動作と同じである。
【００４９】
以下、上記ステップ、例えば１２４〜ステップ１５０、すなわち時間ｔ２〜ｔ５の間の動作を、需要元の要求する容量が送液されるまで繰り返す。なお、本フローチャートでは、制御器３１が第１、第２のシリンジポンプ１８ａ、１８ｂの動作および第１、第２のロータリーバルブ２２ａ、２２ｂの切換えをフィードバック的に制御するようにしているが、第１、第２のモータ１ａ、１３ｂをステップモータとして、第１、第２のモータ１３ａ、１３ｂの制御手段がフィードフォワード的に各機器を制御するようにしてもよい。
【００５０】
本実施例によれば、第１のプランジャ１２ａの送液動作完了直前の減速動作開始タイミングで、第２のプランジャ１２ｂの送液（加速）動作を開始する、およびこの逆動作をするので、第１、第２のプランジャ１２ａ、１２ｂの送液動作がオーバーラップする。したがって、２個のプランジャ１２ａ、１２ｂにおいては、互いに減速と加速のスピードを合わせることにより、設定値の送液速度が維持され脈動無く安定した連続送液となる。
【００５１】
また、第１、第２のプランジャ１２ａ、１２ｂの切替動作タイミングは、第１、第２のモータ１３ａ、１３ｂの回転を制御する、制御器３１かのパルス値をカウントするだけで、一方のプランジャ１２ａ（または１２ｂ）が減速動作を開始するタイミングが分かり、他方のプランジャ１２ｂ（または１２ａ）の送液（加速）動作が同期して開始される。
【００５２】
さらに、各機器の動作タイミングを装置の自動自己学習により決定できる機能を設ければ、最適な無脈動送液を行うことが可能となる。具体的には、自動自己学習機能として、プランジャの切替タイミング、すなわちモータの起動タイミングと加減速時間を数パターン自動で順次動作させ、圧力センサ或いは流量計の計測値が最も安定するタイミングを制御器に記録させて、送液動作に反映すればよい。
【符号の説明】
【００５３】
１０…送液部
１１ａ、１１ｂ…シリンジ
１２ａ、１２ｂ…プランジャ
１３ａ、１３ｂ…モータ
１４ａ、１４ｂ…ボールネジ
１５ａ、１５ｂ…スライドブロック
１８ａ、１８ｂ…シリンジポンプ
１９…配管
２０…配管部
２１ａ、２１ｂ…アダプタ
２２ａ、２２ｂ…ロータリーバルブ
２３…圧力センサ
２４ａ、２４ｂ…配管
２５…配管合流点
２６…流量計
２７ａ、２７ｂ…配管、
２８…配管合流点
２９…配管
３０…制御部
３１…制御器
３２…入出力デバイス
３１ａ…記憶手段
３１ｂ…演算手段
４０…容器
４２…機構部
５０…連続送液システム
ｓ１〜ｓ６…信号線
ｐ０〜ｐ１６…時間
ｑ０〜ｑ１５…時間
ｔ１〜ｔ１０…時間
Ａ１０〜Ａ２８…領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器に収容された液体を吸引し、加圧して需要元へ吐出する連続送液システムであって、前記容器に連通する複数のポンプと、この複数のポンプの各々に設けられ、前記ポンプと前記容器間に配置したバルブと、前記ポンプの各々に設けられ前記ポンプを駆動するモータと、前記モータと前記バルブを制御する制御器とを備え、前記制御器は、予め定められた流量を需要元へ単独のポンプで吐出するときは他のポンプを吸引動作または停止させ、前記単独のポンプが吐出するときの吐出開始時からの所定時間および吐出終了直前の所定時間は単独で吐出するまたは吐出していたポンプの吐出流量を減らし、他のポンプにこの減らした流量だけ吐出させるように前記複数のポンプおよび前記バルブを制御することを特徴とする連続送液システム。
【請求項２】
前記バルブはロータリーバルブであり、前記複数のポンプは複数のシリンジポンプであり、前記制御器は前記複数のシリンジポンプの吐出動作と吸引動作を切換えて連続送液を制御することを特徴とする請求項１に記載の連続送液システム。
【請求項３】
前記複数のポンプは２台のシリンジポンプであり、前記制御器は、前記２台のシリンジポンプから単独吐出動作を交互に繰り返させ、前記各シリンジポンプの単独吐出の前後には双方のシリンジポンプによる吐出動作として吐出動作がオーバーラップするよう制御することを特徴とする請求項１または２に記載の連続送液システム。
【請求項４】
前記ポンプの吐出部と需要元との間に前記ポンプから吐出される液体の流量を検出する流量計と圧力を検出する圧力計を有し、前記ポンプを駆動する前記モータの起動タイミングと加減速時間との組み合わせパターンの制御データテーブルを記憶する記憶手段を前記制御器に備え、前記制御器は前記記憶手段に記憶された前記制御データを用いて前記ポンプを駆動し、前記圧力センサ及び前記流量計の計測値が最も安定となる条件で前記ポンプを駆動することを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の連続送液システム。
【請求項５】
容器に連通する同容量の２台のシリンジポンプと、これら２台のシリンジポンプの各々に設けられ前記シリンジポンプと前記容器間に配置したロータリーバルブと、前記シリンジポンプの各々に設けられ前記シリンジポンプを駆動するモータと、前記モータと前記ロータリーバルブを制御する制御器とを用いて、容器に収容された液体を吸引し、加圧して需要元へ吐出する連続送液システムの制御方法において、
前記２台のシリンジポンプを交互に吸引動作と吐出動作させ、一方のシリンジポンプが単独で吸引しているときに他方のシリンジポンプで吸引動作させ、一方のシリンジポンプの単独動作開始直前の所定時間および単独動作終了前の所定時間だけ他方のシリンジポンプも吐出動作し、これら双方のシリンジポンプが吐出動作するときは、前記一方のシリンジポンプの速度を減速させ、前記他方のシリンジポンプに前記一方のシリンジポンプの減速量だけ加速させることを特徴とする連続送液システムの制御方法。
【請求項６】
前記一方のシリンジポンプが単独吐出動作している間に、前記他方のシリンジポンプに接続された前記ロータリーバルブを吐出側から吸引側へ切換え、この他方のシリンジポンプで前記容器から溶液を吸引し、さらに前記他方のシリンジポンプに接続された前記ロータリーバルブを吸引側から吐出側へ切換えることを特徴とする請求項５に記載の連続送液システムの制御方法。
【請求項１】
容器に収容された液体を吸引し、加圧して需要元へ吐出する連続送液システムであって、前記容器に連通する複数のポンプと、この複数のポンプの各々に設けられ、前記ポンプと前記容器間に配置したバルブと、前記ポンプの各々に設けられ前記ポンプを駆動するモータと、前記モータと前記バルブを制御する制御器とを備え、前記制御器は、予め定められた流量を需要元へ単独のポンプで吐出するときは他のポンプを吸引動作または停止させ、前記単独のポンプが吐出するときの吐出開始時からの所定時間および吐出終了直前の所定時間は単独で吐出するまたは吐出していたポンプの吐出流量を減らし、他のポンプにこの減らした流量だけ吐出させるように前記複数のポンプおよび前記バルブを制御することを特徴とする連続送液システム。
【請求項２】
前記バルブはロータリーバルブであり、前記複数のポンプは複数のシリンジポンプであり、前記制御器は前記複数のシリンジポンプの吐出動作と吸引動作を切換えて連続送液を制御することを特徴とする請求項１に記載の連続送液システム。
【請求項３】
前記複数のポンプは２台のシリンジポンプであり、前記制御器は、前記２台のシリンジポンプから単独吐出動作を交互に繰り返させ、前記各シリンジポンプの単独吐出の前後には双方のシリンジポンプによる吐出動作として吐出動作がオーバーラップするよう制御することを特徴とする請求項１または２に記載の連続送液システム。
【請求項４】
前記ポンプの吐出部と需要元との間に前記ポンプから吐出される液体の流量を検出する流量計と圧力を検出する圧力計を有し、前記ポンプを駆動する前記モータの起動タイミングと加減速時間との組み合わせパターンの制御データテーブルを記憶する記憶手段を前記制御器に備え、前記制御器は前記記憶手段に記憶された前記制御データを用いて前記ポンプを駆動し、前記圧力センサ及び前記流量計の計測値が最も安定となる条件で前記ポンプを駆動することを特徴とする請求項１ないし３の何れか１項に記載の連続送液システム。
【請求項５】
容器に連通する同容量の２台のシリンジポンプと、これら２台のシリンジポンプの各々に設けられ前記シリンジポンプと前記容器間に配置したロータリーバルブと、前記シリンジポンプの各々に設けられ前記シリンジポンプを駆動するモータと、前記モータと前記ロータリーバルブを制御する制御器とを用いて、容器に収容された液体を吸引し、加圧して需要元へ吐出する連続送液システムの制御方法において、
前記２台のシリンジポンプを交互に吸引動作と吐出動作させ、一方のシリンジポンプが単独で吸引しているときに他方のシリンジポンプで吸引動作させ、一方のシリンジポンプの単独動作開始直前の所定時間および単独動作終了前の所定時間だけ他方のシリンジポンプも吐出動作し、これら双方のシリンジポンプが吐出動作するときは、前記一方のシリンジポンプの速度を減速させ、前記他方のシリンジポンプに前記一方のシリンジポンプの減速量だけ加速させることを特徴とする連続送液システムの制御方法。
【請求項６】
前記一方のシリンジポンプが単独吐出動作している間に、前記他方のシリンジポンプに接続された前記ロータリーバルブを吐出側から吸引側へ切換え、この他方のシリンジポンプで前記容器から溶液を吸引し、さらに前記他方のシリンジポンプに接続された前記ロータリーバルブを吸引側から吐出側へ切換えることを特徴とする請求項５に記載の連続送液システムの制御方法。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【公開番号】特開２０１３−１５０７２（Ｐ２０１３−１５０７２Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４８２５１（Ｐ２０１１−１４８２５１）
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【出願人】（０００００５４５２）株式会社日立プラントテクノロジー (1,767)
【Ｆターム（参考）】
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