定量ポンプ

定量ポンプは、指定された時間内に正確な量の液体を移動させ、正確な体積流量を提供します。^[1] 正確に調整可能な流量で流体を供給することを、計量と呼ぶことがあります。「定量ポンプ」という用語は、使用されるポンプの正確な種類ではなく、用途や使用方法に基づいていますが、いくつかの種類のポンプは、他のほとんどの種類のポンプよりもはるかに適しています。^[2]

定量ポンプは水を汲み上げることもできますが、多くの場合、化学薬品、溶液、またはその他の液体を汲み上げるために使用されます。多くの定量ポンプは、高い吐出圧力まで汲み上げることができるように定格されています。通常、広範囲の吐出 (出口) 圧力内で実質的に一定 (時間平均した場合) の流量で計量するように作られています。メーカーは、定量ポンプの各モデルに最大吐出圧力定格を提供し、各モデルはその圧力まで汲み上げることができることが保証されています。エンジニア、設計者、またはユーザーは、圧力と温度の定格、および接液ポンプの材質が、用途と汲み上げられる液体の種類に適合していることを確認する必要があります。

ほとんどの定量ポンプには、ポンプ ヘッドとモーターがあります。ポンプで送られる液体はポンプ ヘッドを通過し、入口ラインから入り、出口ラインから出ます。モーターは通常、ポンプ ヘッドを駆動する電気モーターです。

一部の定量ポンプは分配に使用できます。定量ポンプは連続した流量を供給するように設計されていますが、分配ポンプは正確な総量を供給するように設計されています。

多くの定量ポンプはピストン駆動です。 ピストン ポンプは容積式ポンプであり、数千psiの高吐出圧力を含む広範囲の吐出圧力に対して、実質的に一定の流量 (時間平均) でポンプするように設計できます。

ピストン駆動式定量ポンプは、一般的に次のように動作します。ピストン（プランジャーと呼ばれることもあります）は通常円筒形で、ポンプヘッドの対応する形状のチャンバーに出入りできます。入口ラインと出口ラインはピストンチャンバーに接続されています。ポンプヘッドには、入口ラインに 1 つ、出口ラインに 1 つ、合計 2 つのチェックバルブ（多くの場合ボールチェックバルブ）が取り付けられています。入口バルブは、入口ラインからピストンチャンバーへの流れを許可しますが、逆方向は許可しません。出口バルブは、チャンバーから出口ラインへの流れを許可しますが、逆方向は許可しません。モーターはピストンを繰り返しピストンチャンバーに出し入れするため、チャンバーの容積は繰り返し小さくなったり大きくなったりします。ピストンが外に出ると、真空が生成されます。チャンバー内の圧力が低いと、液体が入口チェックバルブを通ってチャンバーに入り、チャンバーを満たしますが、出口の圧力が高くなると出口バルブが閉じます。次に、ピストンが内側に移動するチャンバー内の高圧により、入口バルブが閉じ、出口バルブが開き、出口から液体が押し出されます。これらの交互の吸引と排出のストロークが何度も繰り返され、液体が計量されます。チャンバーの背面には、ピストンの周りにパッキン、または内部にトロイド形の括約筋のようなバネが付いたドーナツ形のシールがあり、ピストンの周りのシールを圧縮します。これにより、ピストンがスライドして出入りするときに流体圧力が保持され、ポンプが漏れのない状態になります。パッキンまたはシールは、長期間使用すると摩耗することがあり、交換できます。計量速度は、ピストンが前後に移動するストロークの長さを変えるか、ピストンの動きの速度を変えることによって調整できます。

シングルピストン ポンプは、吐出ストローク中にのみ液体を出口に送り出します。ピストンの吸引ストロークと吐出ストロークが同じ速度で発生し、ポンプの作動時間の半分で液体が計量排出される場合、時間平均した全体の計量速度は、吐出ストローク中の平均流量の半分に等しくなります。一部のシングルピストン ポンプでは、吐出時にピストンが一定の低速で動き、ポンプ ヘッドを補充するためにピストンが素早く後退する動作をする場合があります。このような場合、全体の計量速度は、吐出ストローク中のポンプ速度と実質的に等しくなります。

HPLCやイオンクロマトグラフィーなどの高圧クロマトグラフィーで使用されるポンプは、小型のピストン式定量ポンプによく似ています。耐摩耗性や溶剤に対する耐薬品性などのために、ピストンは通常人工サファイアで作られ、ボール チェック バルブにはルビーボールとサファイア シートが使用されています。良好なクロマトグラムを生成するには、ポンピング流量をできるだけ一定にすることが望ましいです。ポンピング流量をできるだけ一定にするには、迅速に補充できるシングル ピストン ポンプを使用するか、ピストン ストロークが調整されたダブル ポンプ ヘッドを使用します。

特に液体が危険、有毒、または有害である場合にパッキンまたはシールでの漏れを防ぐために、ダイヤフラムポンプが計量に使用されます。ダイヤフラムポンプには、繰り返しの圧縮/減圧運動が伝達されるダイヤフラムがあります。液体はダイヤフラムを浸透しないため、ポンプ内の液体は外部から密閉されています。このような運動により、ポンプヘッド内のチャンバーの容積が変わり、ピストンポンプと同様に、減圧中に液体が入口チェックバルブから入り、圧縮中に出口チェックバルブから出ます。ダイヤフラムポンプは、かなり高圧で排出するように作ることもできます。ダイヤフラム計量ポンプは、通常、油圧駆動です。

蠕動ポンプは、モーター駆動のローラーを使用してフレキシブル チューブに沿って転がり、チューブを圧縮して内部の液体を押し出します。蠕動ポンプは低圧での計量に使用できますが、フレキシブル チューブが耐えられる圧力のレベルには制限があります。

定量ポンプの最大圧力定格は、実際には、ポンプが適度に制御可能な流量でポンプで送出できることが保証されている吐出圧力範囲の上限です。ポンプ自体は加圧装置であり、その圧力定格を超えることが保証されているわけではありませんが、多くの場合は超えることができます。このため、ポンプの下流にストップバルブがある場合は、ポンプの稼働中にストップ バルブが誤って閉じられた場合にチューブや配管ラインに過剰な圧力がかかるのを防ぐために、間に圧力リリーフ バルブを配置する必要があります。リリーフ バルブの設定は、配管、チューブ、またはその他のコンポーネントが耐えられる最大圧力定格よりも低くする必要があります。

液体はごくわずかに圧縮可能です。この液体の特性により、定量ポンプは高圧で液体を排出できます。液体は排出ストローク中にわずかに圧縮されるだけなので、ポンプ ヘッドから押し出されます。 気体ははるかに圧縮可能です。定量ポンプは気体のポンピングには適していません。場合によっては、定量ポンプまたは類似のポンプは、操作前にプライミング、つまりポンプ ヘッドにポンプで送り出す液体を充填する必要があります。気泡がポンプ ヘッドに入ると、圧縮動作により気体が圧縮されますが、ポンプ ヘッドから押し出すのが困難になります。ポンプは機械的には動作して気泡を繰り返し圧縮および減圧しているにもかかわらず、ポンプ ヘッドに気泡があると、ポンプは液体のポンピングを停止することがあります。このタイプの「ベーパー ロック」を防ぐために、クロマトグラフィー溶媒はポンピング前に脱気されることがよくあります。

出口の圧力が入口の圧力より低く、ポンプ動作にもかかわらずその状態が続く場合、この圧力差によって両方のチェック バルブが同時に開き、液体がポンプ ヘッドを通って入口から出口へと制御不能に流れます。これは、ポンプが動作しているかどうかに関係なく発生する可能性があります。この状況は、ポンプの下流に適切な定格の正圧差圧チェック バルブを配置することで回避できます。このようなバルブは、バルブ全体の最小定格差圧を超えた場合にのみ開きますが、ほとんどの高圧計量ポンプは、この差圧を簡単に超えてしまいます。

• 計量ポンプの長所と短所 計量ポンプは高い精度を誇り、水処理、化学処理、実験室での分注に適しています。