JP2004324581A

JP2004324581A - マイクロポンプ

Info

Publication number: JP2004324581A
Application number: JP2003122206A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Yamaguchi; 芳文山口
Original assignee: Yaskawa Electric Corp
Current assignee: Yaskawa Electric Corp
Priority date: 2003-04-25
Filing date: 2003-04-25
Publication date: 2004-11-18

Abstract

【課題】水系や有機溶媒、強酸・強アルカリ溶液も送液でき、かつ液体中の気泡も除去し、脈動の発生も抑制できるマイクロポンプを提供する。
【解決手段】液体を保管するタンク１０と、タンク１０内の液体をポンプケーシング７の内部に供給する導入管１と、導入管１に供給された液体をポンプケーシング７の外部に排出する排出管２と、導入管１と排出管２の間に配設されるとともに、内面を耐薬品処理したポンプケーシング７と、接ぎ手４を介してモータ５の回転に連動して回転する永久磁石３からなるマイクロポンプにおいて、タンク１０と導入管１との間に液体中の気泡を除去する気泡除去部１１を設け、ポンプケーシング７の出口側と排出管２との間に脈動を抑制するための整流部１２を設け、導入管１から供給された液体を微小の流量で送出する星型の回転体をポンプケーシング７の内部に設けた。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微量の液体の送液が必要なバイオテクノロジー分野に用いられるマイクロポンプに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のマイクロポンプにおいては、非接触で摩擦損失のない状態で低温液体を輸送する目的のために、羽根車を外部磁界の変化により回転させるマイクロポンプがあった（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平５−２７２４８４号公報
【０００４】
以下、特許文献１記載のマイクロポンプについて簡単に説明する。
図８は従来のマイクロポンプの構成を示すブロック図で、図９は図８のＡ−Ａ線における切断面説明図である。
図８において、１は液体が供給される導入管で、２は導入管１から供給された液体がホンプ外に排出される排出管で、３は接ぎ手４を介してモータ５に連動して回転する永久磁石で、６は中心部が超電導体から構成されている羽根車で、７（図９）は羽根車６が収納されているポンプケーシングで、８（図９）は羽根車６の円周面に設置された羽根である。
以上の構成において、羽根車６において液体ヘリウムや液化窒素等の低温液体が導入管１から供給されると超電導状態になり、その状態でポンプケーシング７の外部に設置された永久磁石３を回転すると、回転する永久磁石３の磁場変換に抗して回転する。また、導入管１から供給された液体を羽根８の空隙に閉じ込め押し出すことによって、排出管２に排出している。
上記のようなマイクロポンプにおいて、超電導体のピン止め力により磁気軸受するため、磁気ベアリングも不要であり、非接触にて摩擦損失を生じることなく安定して羽根車を回転させることができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のマイクロポンプにおいては、液体の補充あるいは異なる液体に交換した場合、ポンプの下流側に設置している分析システムに気泡を含んだ液体を送液することになるため、得られた測定値に多大な影響を及ぼす可能性がある。
また、羽根車の表面を耐薬品性にしていないため、メタノール、アセトン、クロロホルム等の各種有機溶媒、塩酸、硝酸、硫酸、水酸化ナトリウムなどの強酸・強アルカリ溶液を送液した場合、羽根車の基材表面から構成成分が液体中に溶出する可能性がある。
また、羽根と羽根との距離が長いために、１分間に数μリットルの流量で送液する場合においては、排出・輸送された液体中に脈動が発生しやすいなどの問題があった。
したがって、この発明の目的は水系だけでなく、各種の有機溶媒および強酸・強アルカリ溶液も送液することができ、かつ液体中の気泡も除去できるとともに、脈動の発生も抑制することが可能なマイクロポンプを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載のマイクロポンプは、液体を保管するタンク１０と、そのタンク１０内の液体をポンプケーシング７の内部に供給する導入管１と、前記導入管１から供給された液体をポンプケーシング７の外部に排出する排出管２と、前記導入管１と排出管２の間に配設されるとともに内面を耐薬品処理したポンプケーシング７と、接ぎ手４を介してモータ５の回転に連動して回転する永久磁石３からなるマイクロポンプにおいて、前記導入管１に液体中の微小な気泡を除去するための気泡除去部１１を設け、前記排出管２に脈動を抑制するための整流部１２を設け、導入管１から供給された液体を微小の流量で送出する星型の回転体をポンプケーシング７の内部に設けたことを特徴とする。
請求項１記載のマイクロポンプによれば、液体中に存在する気泡のみを除去することができるとともに、脈流の発生を抑制しながら、ＤＮＡやＲＮＡなどの核酸が溶解している液体を極低流量で送液することができる。
請求項２記載の発明は、請求項１記載のマイクロポンプにおいて、前記気泡除去部１１が一定間隔に微細な開口部を有した平板状の気泡除去材１３と、気泡のみを通過させる気体透過膜１４から構成され、前記気泡除去材１３の上部に前記気体透過膜１４を配設したことを特徴とする。
請求項２記載のマイクロポンプによれば、送液抵抗の上昇を防ぐことができるとともに、液体中から気泡のみを除去することができる。
【０００７】
請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載のマイクロポンプにおいて、そのマイクロポンプが、気泡除去材１３の基材としてアルミ等の金属材料又はポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子膜から選択して用い、その基材表面をフッ素やポリエーテルエーテルケトン等の耐薬品性材料１５で被覆したことを特徴とする。
請求項３記載のマイクロポンプによれば、水系だけでなく、メタノール、アセトン、クロロホルム等の各種有機溶媒、塩酸、硝酸、硫酸等の強酸、水酸化ナトリウム等の強アルカリ溶液も用いることができる。
請求項４記載の発明は、請求項１又は２記載のマイクロポンプにおいて、液体の流れに沿って気泡除去材１３を積層して配設したとともに、前記気泡除去材１３の開口部１６の面積を液体の下流方向に徐々に大きくしたことを特徴とする。
請求項４記載のマイクロポンプによれば、液体中に存在する気泡の径を大きくなることで、気泡の上昇速度が増大するため、微細な気泡も効率良く除去することが可能となる。
請求項５記載の発明は、請求項１記載のマイクロポンプにおいて、矩形の開口部１８を有し、一定の長さの脈動抑制材１７を溶液の流れ方向に対して水平及び垂直方向に積層し、かつ前記液体の流れ方向に対して水平に積層される脈動抑制材１７の開口部１８の面積を液体の下流方向に徐々に小さくしたことを特徴とする。
請求項５記載のマイクロポンプによれば、液体中に発生する脈動の大きさが徐々に抑制されるので、排出される液体の流れを整流にすることができる。
請求項６記載の発明は、請求項１又は５記載のマイクロポンプにおいて、前記排出管２と前記脈動抑制材１７との間隙にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルアミンなどの樹脂で形成されたシール材１９を埋設したことを特徴とする。
請求項６記載のマイクロポンプによれば、排出された液体の漏れ出しを防止することができるので、液体中に発生した脈動抑制効果を安定に維持することができる。
請求項７記載の発明は、請求項１記載のマイクロポンプにおいて、前記星型の回転体９の一部を電導体２０で構成したとともに、回転体の表面をフッ素（Ｆ）等の撥水性材料２１で被覆したことを特徴とする。
請求項７記載のマイクロポンプによれば、送体の流量をコントロールすることができるとともに、溶液の吸引・送液を自動で行うことができる。また、水系だけでなく、メタノール、アセトン、クロロホルム等の各種有機溶媒、塩酸、硝酸、硫酸等の強酸、水酸化ナトリウム等の強アルカリ溶液を送液することも可能となる。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の各実施の形態について図面に基づいて詳細に説明する。
〈第１の実施の形態〉
まず、この発明の第１の実施の形態に係るマイクロポンプについて図１と図２に基づいて説明する。
図１は本発明の第１の実施の形態に係るマイクロポンプの構成を示すブロック図で、図２は図１の気泡除去部の構成を示すブロック図である。
図１において、１は導入管、２は排出管、３は永久磁石、４は接ぎ手、５はモータ、７はポンプケーシング、９は回転体、１０はタンク、１１は気泡除去部、１２は整流部、さらに図２において、１は導入管、１１は気泡除去部、１３は気泡除去材、１４は気体透過膜である。
第１の実施の形態に係るマイクロポンプの動作は次のようになる。
接ぎ手４を介してモータ５に連動した永久磁石３を回転させ、その永久磁石３の回転に合わせてポンプケーシング７の内部に設置した回転体９が回転することにより、タンク１０内に保管された液体を導入管１内に供給し、気泡除去部１１の構成材料である気泡除去材１３で液体の中から気泡のみを捕集し、液体の流れに逆らって上昇した気泡を気体透過膜１４から系外に排出させる。
また、気泡が除去された液体は、ポンプケーシング７に導入され、回転体９の回転によって整流部１２および排出管２に排出される。
この実施の形態に係るマイクロポンプは、軸受ベアリング等を用いることなく、非接触で極低流量での送液を可能にするとともに、液体から気泡のみを除去するとともに、脈動の発生を抑制することができる。
この実施の形態によれば、気泡除去材１３には一定間隔に微細な開口部を形成しているため、送液抵抗の上昇を抑制するとともに、液体中に存在する気泡のみを捕集・除去することが可能となる。
また、排出された液体に発生した脈動も抑制することができる。
また、星型の形状を有した回転体９の先端（山部）９ａ、９ｂ同士の間隔を短くすることで、脈動の発生をより一層抑制することが可能となる。
【０００９】
〈第２の実施の形態〉
次に、この発明の第２の実施の形態に係るマイクロポンプについて図３と図４に基づいて説明する。
図３は本発明の第２の実施の形態に係るマイクロポンプの構成を示すブロック図で、図４は図３の気泡が除去される原理を示すブロック図である。
図３において、１は導入管、１３は気泡除去材、１５は耐薬品性材料であり、図４においては、１は導入管、１３は気泡除去材、１４は気体透過膜、１５は耐薬品性材料、１６開口部である。
第２の実施の形態に係るマイクロポンプの動作は次のようになる。
タンク１０（図１）から導入管１に供給された液体中に存在する気泡Ｋは、気泡除去材１３に衝突して上昇するか、開口部１６を通過する。開口部１６を通過した気泡Ｋは、開口部１６を通過する度に気泡径が大きくなる。
この実施の形態に係るマイクロポンプは、使用する液体に制限を設ける必要がなく、気泡の除去率を長期間、安定に維持することである。
この実施の形態によれば、接液部の基材表面をＰＴＦＥやＰＥＥＫなどの耐薬品性材料で被覆しているので、基材表面から構成成分の溶出する恐れがないため、水系のみでなくメタノール、アセトン、クロロホルム等の各種有機溶媒、塩酸、硫酸、硝酸などの強酸並びに水酸化ナトリウム等の強アルカリ溶液を送液することができる。
また、液体の流れに沿って開口部の面積を徐々に大きくしているので、液体の流量が多い場合においても送液抵抗の上昇を抑制できるとともに、液体中の気泡Ｋ同士が開口部を通過する際に凝集して大きな気泡になるので、気泡の上昇速度が増大する。そのため、比較的簡単な構造で微細な気泡も除去することが可能となる。
また、気体透過膜１４の下流側を減圧にして膜の両側（液相側と気相側）に圧力差（高圧側：液相、低圧側：気相側）を設けることで、気泡の除去率をより一層向上させることも可能である。
【００１０】
〈第３の実施の形態〉
この発明の第３の形態に係るマイクロポンプについて図５と図６に基づいて説明する。図５は本発明の第３の実施の形態の気泡除去方法を示す排出管の長さ方向断面図で、図６は図５の脈動抑制材１７ｂの直径方向断面図である。
図５において、２は排出管、１７は脈動抑制材、１８は開口部であり、図６において、２は排出管２、１７は脈動抑制材、１８は開口部、１９はシール材である。
排出管２の中に脈動抑制剤１７が設けられ、脈動抑制材１７と排出管２との間隙がシール材１９で隙間なく封止されている。脈動抑制剤１７はここでは１７ａ〜１７ｃの３種類のものが用いられている。脈動抑制剤１７ａ〜１７ｃはそれぞれ開口部の大きさと数は異なるものの、等間隔に多数の開口部１８が開けられていて、この開口部１８を液体が通過するようになっている。脈動抑制剤１７ａの開口部１８の大きさが最も大きくて数が少なく、脈動抑制剤１７ｃそれは小さくて、数は最も多い。液体の流れる上流側に開口部１８の大きさが最も大きいものを置き、順に開口部の小さめのものとなっている。
【００１１】
第３の実施の形態に係るマイクロポンプの動作は次のようになる。
開口部１８の脈動抑制材１７と排出管２との間隙がシール材１９で封止されているので、ポンプケーシング７から排出管２内へ排出された液体はシール材１９を通過できず、シール材１９や脈動抑制材１７ａに衝突して、最終的に脈動抑制材１７の中のみを通過することになる。したがって排出管２内へ排出された液体が最初は脈動を打っていても、脈動抑制材１７ａ等に衝突することでそのエネルギーを吸収され、流体圧力の低い開口部１８を通過することによって各々の開口部１８を通過した流体速度は均等になる。
この液体がさらに脈動抑制材１７ｂ、１７ｃを通過することによって、乱流であった流体は徐々に変化し、最終的に層流に変化する。
この第３の実施の形態に係るマイクロポンプによれば、液体の流れに沿って開口面積を徐々に小さくしている脈動抑制材１７ａ〜１７ｃにより液体の流量に関係なく液体中に発生した脈動を効率良く抑制するとともに、排出された液体の流れを整流にして、かつ脈動抑制効果を長期間、安定に維持することができる。
また、脈動抑制材１７と排出管２の内壁との間隙を封止しているため、排出された液体の漏れ出しを防止できる。
【００１２】
〈第４の実施の形態〉
この発明の第四の実施の形態に係るマイクロポンプについて図７に基づいて説明する。図７は本発明の第４の実施の形態に係るマイクロポンプの構成を示すブロック図である。
図７において、９は回転体、１５は耐薬品性材料、２０は超電導帯である。
第４の実施の形態に係るマイクロポンプの動作は次のようになる。
回転体９の一部を電導体２０で形成しているので、永久磁石３の回転に合わせて回転体９が回転する。また、電導体２０の表面を耐薬品性材料１５で被覆している。
この実施の形態に係るマイクロポンプは、液体の吸引・送出をコントロールするととともに、基材表面から構成成分の溶出を防止することである。
この実施の形態に係るマイクロポンプによれば、永久磁石３によって回転体９を回転させているので、サブμＬ／ｍｉｎからｍＬ／ｍｉｎまでの流量を高精度に制御することが可能であるとともに、液体の吸引・排出を自動で行うことができる。また、接液部の基材表面を耐薬品処理しているため、基材から構成成分の溶出がないので、長期間、安定した送液が可能となる。
【００１３】
【発明の効果】
請求項１記載のマイクロポンプによれば、気泡除去材には一定間隔に微細な開口部を形成しているため、送液抵抗の上昇を抑制するとともに、液体中に存在する気泡のみを捕集・除去することが可能となる。また、排出された液体に発生した脈動を抑制することができる。
請求項２記載のマイクロポンプによれば、送液抵抗の上昇を防ぐことができるとともに、液体中から気泡のみを除去することができる。
請求項３記載のマイクロポンプによれば、水系だけでなく、メタノール、アセトン、クロロホルム等の各種有機溶媒、塩酸、硝酸、硫酸等の強酸並びに水酸化ナトリウム等の強アルカリ溶液も用いることができる。
請求項４記載のマイクロポンプによれば、液体中に存在する気泡の径を大きくなることで、気泡の上昇速度が増大するため、微細な気泡も効率良く除去することが可能となる。
請求項５記載のマイクロポンプによれば、液体中に発生する脈動の大きさが徐々に抑制されるので、排出される液体の流れを整流にすることができる。
請求項６記載のマイクロポンプによれば、排出された液体の漏れ出しを防止することができるので、液体中に発生した脈動抑制効果を安定に維持することができる。
請求項７記載のマイクロポンプによれば、送体の流量をコントロールすることができるとともに、溶液の吸引・送液を自動で行うことができる。また、水系だけでなく、メタノール、アセトン、クロロホルム等の各種有機溶媒、塩酸、硝酸、硫酸等の強酸並びに水酸化ナトリウム等の強アルカリ溶液を送液することも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るマイクロポンプの構成を示すブロック図である。
【図２】図１の気泡除去部の構成を示すブロック図である。
【図３】図３の気泡除去部で気泡が除去される原理を示すブロック図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態の気泡除去方法を示すブロック図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態の気泡除去方法を示す排出管の長さ方向断面図である。
【図６】図５の脈動抑制材１７ｂの直径方向断面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係るマイクロポンプの構成を示すブロック図である。
【図８】従来のマイクロポンプの構成を示すブロック図である。
【図９】図８のＡ−Ａ線における切断面説明図である。
【符号の説明】
１導入管
２排出管
３永久磁石
４接ぎ手
５モータ
７ポンプケーシング
９回転体
９ａ、９ｂ回転体先端（山部）
１０タンク
１１気泡除去部
１２整流部
１３気泡除去材
１４気体透過膜
１５耐薬品性材料
１６開口部
１７脈動抑制材
１８開口部
１９シール材
２０電導体

Claims

液体を保管するタンク１０と、そのタンク１０内の液体をポンプケーシング７の内部に供給する導入管１と、前記導入管１から供給された液体をポンプケーシング７の外部に排出する排出管２と、前記導入管１と排出管２の間に配設されるとともに内面を耐薬品処理したポンプケーシング７と、接ぎ手４を介してモータ５の回転に連動して回転する永久磁石３からなるマイクロポンプにおいて、前記導入管１に液体中の微小な気泡を除去するための気泡除去部１１を設け、前記排出管２に脈動を抑制するための整流部１２を設け、導入管１から供給された液体を微小の流量で送出する星型の回転体をポンプケーシング７の内部に設けたことを特徴とするマイクロポンプ。
前記気泡除去部１１は、一定間隔に微細な開口部を有した平板状の気泡除去材１３と、気泡のみを通過させる気体透過膜１４から構成され、前記気泡除去材１３の上部に前記気体透過膜１４を配設したことを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。
前記気泡除去材１３の基材としてアルミ等の金属材料又はポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン、ポリエチレン、ポリプロピレン等の高分子膜から選択して用い、その基材表面をフッ素やポリエーテルエーテルケトン等の耐薬品性材料１５で被覆したことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロポンプ。
液体の流れに沿って気泡除去材１３を積層して配設したとともに、前記気泡除去材１３の開口部１６の面積を液体の下流方向に徐々に大きくしたことを特徴とする請求項１又は２記載のマイクロポンプ。
矩形の開口部１８を有し、一定の長さの脈動抑制材１７を溶液の流れ方向に対して水平及び垂直方向に積層し、かつ前記液体の流れ方向に対して水平に積層される脈動抑制材１７の開口部１８の面積を液体の下流方向に徐々に小さくしたことを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。
前記排出管２と前記脈動抑制材１７との間隙にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルアミンなどの樹脂で形成されたシール材１９を埋設したことを特徴とする請求項１又は５記載のマイクロポンプ。
前記星型の回転体９の一部を電導体２０で構成したとともに、回転体の表面をフッ素（Ｆ）等の撥水性材料２１で被覆したことを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。