JP2585615B2

JP2585615B2 - 無脈動ポンプの制御方法

Info

Publication number: JP2585615B2
Application number: JP62201612A
Authority: JP
Inventors: 恒夫菅; 美恵子石井; 庸藏中村
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-08-12
Filing date: 1987-08-12
Publication date: 1997-02-26
Anticipated expiration: 2012-02-26
Also published as: JPS6445984A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は無脈動ポンプの制御方法に係り、特にピスト
ンの位相制御を行なうことによって、圧力脈動を抑える
ようにした無脈動ポンプの制御方法に関する。

〔従来の技術〕

一般に、液体クロマトグラフィ・医療用検査機器等に
用いられるポンプ装置としては、圧力脈動が小さく、か
つ高圧の液体を連続吐出できるものが望ましい。

このようなポンプ装置として、従来より二連式往復ポ
ンプが知られている。この二連式往復ポンプは、２つの
ポンプを直列に接続し（吸入側を第１ポンプ、吐出側を
第２ポンプという）、かつ第２ポンプの前後に逆止弁を
設けたもので、第１ポンプおよび第２ポンプにそれぞれ
設けられた第１ピストンおよび第２ピストンを２つのモ
ータで別個に往復駆動することによって、各々のポンプ
に吸入行程と吐出行程とを交互に繰り返させ、合成吐出
圧を得るようになっている。なお、第１ピストンおよび
第２ピストンはカム機構またはボールねじ機構を介して
モータに接続されており、モータが回転した時、両ピス
トンは往復移動するようになっている。

また、上記の第１ピストンと第２ピストンの速度指令
パターンは、カム機構を用いた場合には第５図（ａ）の
ように設定され、ボールねじ機構を用いた場合には同図
（ｂ）のように設定される。前記両図に示すように、逆
止弁の効果を考慮すると、第１ピストンと第２ピストン
の速度の和は常に一定となり、原理的には合成吐出圧に
脈動が発生しないようになっている。

しかし、高圧の流体を連続吐出させるためには、両プ
ランジャの運動方向および速度を周期的に切り換えなけ
ればならず、この切り換え時に逆止弁の応答の遅れ、駆
動系のガタ、低圧から高圧に圧縮するためのタイミング
のずれ等のために、圧力が低下して圧力リップルが生じ
易いという欠点があった。

そこで、圧力リップル等の圧力脈動の発生を抑えるた
めの方法として、次の２つの方法が特開昭61-178582号
公報によって提案されている。その１つは、ピストン速
度切り換え時の合成吐出圧を検出し、その検出信号の変
動が右傾きなら第１ポンプ側の第１ピストンの移動距離
を適宜大きくし、左傾きなら同ピストンの移動距離を適
宜小さくするような信号を制御装置からモータへ送ると
いう方法である。また、もう１つは、予め第１ポンプへ
の流量を若干多めにしておき、その過剰分をリリースす
る定圧リリース弁を第１ポンプと第２ポンプとを結ぶ配
管上に設け、定圧リリース弁の動作圧力を制御装置で制
御するという方法である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、検出信号の傾きによってピストンの移
動距離を制御する方法では、適正な移動距離を設定する
指標がないので、何回も試行錯誤しながら設定しなけれ
ばならず、その設定までに時間がかかり過ぎるという問
題があった。

また、定圧リリーフ弁を設ける方法では、流量を小さ
くする時は、かなり精度のよいリリーフ弁を使用しなけ
ればならず、リリーフ弁が非常に高価なものとなってし
まうという問題があった。

本発明の目的は、わざわざリリーフ弁を設けることな
く、かつ圧力脈動の小さい状態を短時間で設定すること
ができる無脈動ポンプの制御方法を提供することであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕上記の目的を達成するために、本発明の無脈動ポンプ
の制御方法は、ピストン往復式の２台のポンプを直列に
接続するとともに、前記両ポンプのピストン速度を互い
に逆に切り換えることにより、一方のポンプを吸入行程
とした時、他方のポンプを吐出行程として、前記両ポン
プの合成吐出圧を一定に制御する無脈動ポンプの制御方
法において、前記合成吐出圧を検出し、その検出信号か
ら圧力脈動のピーク時点を求めるとともに、前記ピスト
ン速度の切り換え開始から前記ピーク時点までの時間を
マイクロコンピュータ内のタイマで計測し、その計測時
間に前記ポンプ固有の定数を乗算して補正時間を算出
し、吸入行程から吐出行程に移行する方のピストン速度
切り換え時刻を基準として、吐出行程から吸入行程に移
行する方のピストン速度切り換え時を、前記合成吐出圧
が低下している時は、前記補正時間だけ遅延させ、前記
合成吐出圧が上昇している時は、前記補正時間だけ早め
る操作を逐次行なって圧力脈動を小さくすることであ
る。

〔作用〕

逆止弁の応答遅れ、駆動系のガタ、低圧から高圧に圧
縮するためのタイミングのずれによって圧力が低下して
いるところでは、ピストンが停止しているために生ずる
のと同等の圧力低下となる。例えば、第５図（ｂ）に示
すようなボールねじ機構の速度指令パターンにおいて、
第２ピストが吐出行程から吸入行程に移行する時、すな
わち、第１ピストンが吸入行程から吐出行程に移行する
時は、低圧から高圧に圧縮するのに要する時間及びモー
タが逆転するためバックラッシュを吸収するのに要する
時間が必要なので、この時第１ピストンは停止している
のと同等に見なせる。

したがって、第１ピストンの速度切り換えに対して、
第２ピストンの速度切り換えタイミングを少し遅らせる
ようにすれば、実質のピストン速度の和は一定となり、
圧力の低下を防止できる。実験結果からも、第６図
（ａ）に示すような速度指令パターンを同図（ｂ）に示
すように位相制御を行うことにより、ピストン速度切り
換え時の圧力変動を小さくできることが確認されてい
る。

上記位相差を決めるアルゴリズムは下記のとおりであ
る。第７図（ａ）に示すように、圧力が低下する場合、
圧力が低下し始めて再び上昇し始めるところまでは、逆
止弁の応答遅れ、機械系のガタなどにより実質のピスト
ン速度の和が低下していることを示し、再び圧力が上昇
しているところはピストン速度の和が設定の値に復帰し
たことを示している。又、第７図（ｂ）に示すように、
圧力が上昇する場合、圧力が上昇し始めて再び低下し始
めるところまではピストン速度の和が過大となっている
ことを示し、再び低下しているところはピストン速度の
和が設定値に戻ったことを示している。そこで、ピスト
ン速度切り換え開始から圧力のピーク位置までの時間を
第７図（ａ），（ｂ）に示すようにそれぞれt₁,t₂と
し、これらをマイクロコンピュータ内のタイマを使って
計測する。最初は圧力が低下しているので、その時間t₁
を位相差として足し込む。すなわち、第７図（ａ）の場
合は、制御される側のピストン（第２ピストン）の現在
の移行切り換え時を０とし、バックラッシュのある側の
ピストン（第１ピストン）の切り換え時と脈動ピーク点
（圧力低下）との時間差をt₁とする。１回目の補正量を
at₁として、制御される側の移行切り換え時をat₁遅らせ
る。その結果、第２ピストンの切り換え時と脈動ピーク
点（圧力低下）との時間差がｔ′となったとすると、補
正量はat′となり、現在の第２ピストンの移行切り換え
時は０からａ（t₁＋ｔ′）となる。そして、圧力脈動が
なくなるまでこの制御を繰り返し行う。

一方、第７図（ｂ）の場合は過剰制御状態であり、圧
力脈動が上昇している。制御される側のピストン（第２
ピストン）の現在の移行切り換え時を０とし、バックラ
ッシュのある側のピストン（第１ピストン）の切り換え
時と脈動ピーク点（圧力上昇）との時間差をt₂とする。
１回目の補正量をat₂として、制御される側の移行切り
換え時をat₂進める。その結果、第２ピストンの切り換
え時と脈動ピーク点（圧力上昇）との時間差がｔ″とな
ったとすると、補正量はat″となり、現在の第２ピスト
ンの移行切り換え時は０から−ａ（t₂＋ｔ″）となる。
そして、圧力脈動がなくなるまでこの制御を繰り返し行
う。

このようにして、圧力変動を検出しつつ位相をシフト
させ、第２ピストンの移行切り換え時が適正となるよう
フードバックをかける。

こうすることにより、圧力脈動に対し適正な位相補正
が行える。

〔実施例〕

以下に、本発明の一実施例を図面を参照して説明す
る。

第１図は本発明の一例を示す制御回路系統図であり、
第２図および第３図は本発明が適用される二連式往復ポ
ンプ30,31の詳細図で、カム機構によるものとボールね
じ機構によるものを示している。第２図において、パル
スモータ1,1と同一軸上に配置されたカム2,2とは、それ
ぞれベルト3,3で連結されている。カム2,2にはカムフォ
ロア4,5が当接され、これらのカムフォロア4,5はそれぞ
れ第１ピストン６および第２ピストン７に固定されてい
る。第１ピストン６にはスプリング８が、第２ピストン
７にはスプリング９が設けられ、両スプリング8,9によ
りカムフォロア4,5はカム2,2に接近する方向に付勢され
ている。第１・第２ピストン6,7の先端には、耐摩耗性
・耐薬品性のある材料（例えばルビー）で形成された第
１プランジャ10および第２プランジャ11が取付けられ、
第１・第２プランジャ10,11はシリンダベッド12に形成
されたポンプ室13,14内に往復自在に挿入されている。1
5,16はポンプ室13,14を密閉するシール、17,18は第１ピ
ストン６の前後に配置された逆止弁である。

第１プランジャ10と第２プランジャ11の合成速度の和
が第５図（ａ）の如く一定となるように、カム2,2のカ
ム面形状は創成されている。また、第１プランジャ10は
第２プランジャ11の倍の速度で動くようになっており、
第１ポンプは補填を行ないつつ第２ポンプに液体を吐出
し、第１ポンプが吸入行程のときは、逆止弁が作用する
ことにより、第２ポンプのみで送液することができる。

また、第３図は前述したカム2,2の代わりにボールね
じ20,20を設け、このボールねじ20,20によってパルスモ
ータ1,1の回転運動を直線往復運動に変換するようにし
た二連式往復ポンプ31であり、他の構成は前述した二連
式往復ポンプ30と同様である。図中21,21は遊星歯車減
速機、22,22はボールねじ20,20と遊星歯車減速機21,21
を支持するスラスト軸受である。なお、ボールねじ20,2
0によって第１・第２のプランジャ10,11は第５図（ｂ）
の如く動き、その合成速度は一定となるようになってい
る。

上述した二連式往復ポンプ31を使用した場合の圧力脈
動を抑える方法について、第１図を参照して説明する。
図に示すように、流量設定器（あるいは外部流量コント
ローラ）32はコード変換回路33を介してマイクロコンピ
ュータ34に接続されている。スタート・ストップボタン
35はパルス発生回路36を介してマイクロコンピュータ34
に接続されている。一方、マイクロコンピュータ34はパ
ルスモータドライバ37を介して二連式往復ポンプ31のパ
ルスモータ1,1に連結されている。また、二連式往復ポ
ンプ31の吐出側には液体クロマトグラフィ等（図示せ
ず）が接続され、その途中に圧力センサ38が設けられて
いる。圧力センサ38はA/D変換器39を経てマイクロコン
ピュータ34につなげられている。

次に本実施例の動作について説明する。

まず、流量設定器32で設定された流量設定信号は、コ
ード変換回路33で二進化十進コードから二進コードに変
換された後、マイクロコンピュータ34に入力される。ま
たスタート・ストップボタンからスタート信号がパルス
発生回路36を経てマイクロコンピュータ34に入力される
と、マイクロコンピュータ34はパルスモータ駆動周波数
等を計算して、その出力ポートからパルスモータドライ
バ37へ第５図（ｂ）で示したプランジャ速度駆動パター
ンをつくり出すパルス列、回転方向を決める信号、電流
制御信号等を出力する。これらの信号はパルスモータド
ライバ37で分配されて、２台のパルスモータ1,1を駆動
する。パルスモータ1,1が回転すると遊星歯車減速機21,
21により減速され、スラスト軸受22,22、ボールねじ20,
20よりなる駆動伝達系を介して回転運動が直線往復運動
に変換され、プランジャ10,11を往復運動させて、前記
第５図（ｂ）を用いて説明したような送液のしかたで液
体を高圧にして吐出する。この場合、前に述べた逆止弁
17,18の応答遅れの他、液体を低圧から高圧にする際の
体積弾性率が使用する液体で異なること等の原因で、タ
イミングがずれて脈動が発生する。圧力センサ38がライ
ン圧力と圧力変動を検出し、その検出信号は、図示はし
ていない増幅器及びノイズ除去するためのフィルタを通
してA/D変換器39でデジタル信号に変換されてマイクロ
コンピュータ34に入る。

この信号は、マイクロコンピュータ34で処理される
が、吸入行程から吐出行程に移行する方のピストン速度
切り換え時刻を基準として、圧力変化のピーク値までの
時間をコンピュータ内のタイマで計測する。その時間を
前記したアルゴリズムで吐出行程から吸入行程に移行す
る方のピストン速度切り換え時刻の位相を修正する。こ
うすることにより適正な位相でプランジャ速度の補正を
行うことができる。

また、本実施例における位相制御のフローチャートは
第８図のようになっている。

なお、本実施例では、第１プランジャ10および第２プ
ランジャ11の駆動源として、パルスモータ1,1を使用し
た場合について説明したが、このパルスモータ1,1の代
わりに、第４図に示すようなリニアモータ1A,1Aを使用
してもよい。リニアモータ1A,1Aを使用すれば、カム機
構またはボールねじ機構のような回転運動を直線運動に
変換する装置が不要となり、機械的なガタが小さくなる
ので、圧力脈動を抑えるのに効果的である。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、ピストン速度
の補正を最適な位相差で行なうことができるので、圧力
脈動を極めて小さくすることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の制御回路系統図、第２図は
カム機構を用いた二連式往復ポンプの要部断面図、第３
図はボールねじ機構を用いた二連式往復ポンプの要部断
面図、第４図は駆動源にリニアモータを用いた二連式往
復ポンプの要部断面図、第５図は基本的なピストン速度
指令パターンを示す線図、第６図は位相制御の効果を示
す説明図、第７図は圧力脈動の挙動を示す説明図、第８
図は位相制御方法を示すフローチャートである。１……パルスモータ、1A……リニアモータ、２……カ
ム、３……ベルト、6,7……第１・第２ピストン、10,11
……第１・第２プランジャ、12……シリンダヘッド、1
5,16……シール、17,18……逆止弁、20……ボールね
じ、21……遊星歯車減速機、30,31……二連式往復ポン
プ、32……流量設定器、33……コード変換回路、34……
マイクロコンピュータ、35……スタート・ストップボタ
ン、36……パルス発生回路、37……パルスモータドライ
バ、38……圧力センサ、39……A/D変換器。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ピストン往復式の２台のポンプを直列に接
続するとともに、前記両ポンプのピストン速度を互いに
逆に切り換えることにより、一方のポンプを吸入行程と
した時、他方のポンプを吐出行程として、前記両ポンプ
の合成吐出圧を一定に制御する無脈動ポンプの制御方法
において、前記合成吐出圧を検出し、その検出信号から圧力脈動の
ピーク時点を求めるとともに、前記ピストン速度の切り
換え開始から前記ピーク時点までの時間をマイクロコン
ピュータ内のタイマで計測し、その計測時間に前記ポン
プ固有の定数を乗算して補正時間を算出し、吸入行程か
ら吐出行程に移行する方のピストン速度切り換え時刻を
基準として、吐出行程から吸入行程に移行する方のピス
トン速度切り換え時を、前記合成吐出圧が低下している
時は、前記補正時間だけ遅延させ、前記合成吐出圧が上
昇している時は、前記補正時間だけ早める操作を逐次行
なって圧力脈動を小さくすることを特徴とする無脈動ポ
ンプの制御方法。