JP2014089702A - Method of transporting liquid - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of transporting a liquid in which external power is reduced as much as possible and a flow rate per unit time is fixed to a prescribed flow rate.SOLUTION: In a liquid supply device 101 constituted of a container 102 and a piston 109, a liquid 111 with a liquid level 110 passes through a flow channel 105 from a reservoir 103 which supplies the liquid and then through a bottleneck 106 having a smaller cross section and flows out to the outside at an outlet 107 while a sub flow channel 108 is branched from the reservoir 103 and the liquid is brought into contact with the bottleneck 106 via the piston 109. The liquid is transported using head pressure. In addition, a bottleneck is provided at a part of a flow channel and a flow adjustment mechanism is provided at the bottleneck, thereby fixing a flow rate of liquid passing through to a prescribed flow rate.

Description

本発明は、流路を用いて液体を輸送する際、流路途中に圧力差を用いた流量調整機構を設けることにより、所定の流量で液体を連続的に輸送する技術に関するものである。
特に、細胞(例えば、IPS細胞、ES細胞、体外受精胚や体細胞クローン胚などの胚)を培養する際に、電力を必要とする設備を用いることなく、所定の流量で培養液を連続的に輸送する技術に関するものである。
The present invention relates to a technique for continuously transporting liquid at a predetermined flow rate by providing a flow rate adjusting mechanism using a pressure difference in the middle of the flow channel when transporting liquid using the flow channel.
In particular, when culturing cells (for example, embryos such as IPS cells, ES cells, in vitro fertilized embryos, and somatic cell clone embryos), the culture solution is continuously supplied at a predetermined flow rate without using equipment that requires electric power. It relates to the technology to transport to.

従来、液体を所定流量で輸送する手段としては、動力を使用する方法と動力を用いない方法とがあるが、前者を用いる場合が多い。   Conventionally, as means for transporting a liquid at a predetermined flow rate, there are a method using power and a method not using power, but the former is often used.

前者においてはシリンジポンプを用いる方法あるいはチューブポンプを用いる方法等がある。   The former includes a method using a syringe pump or a method using a tube pump.

シリンジポンプを用いる場合は、例えば図9に示すようにシリンジポンプ63を構成するシリンジ筒部61に液体を入れ、シリンジ押子62を機械的に前後させることにより液体を正確に送り出すものである   When using a syringe pump, for example, as shown in FIG. 9, the liquid is put into a syringe cylinder 61 constituting the syringe pump 63 and the liquid is accurately sent out by mechanically moving the syringe pusher 62 back and forth.

一方、後者においては例えば図10に示すように装置71はタンク72と液位差保持機構73より構成されている。液体76を収容するタンク72に液体76を取り出すための液位差保持機構73が収納されており、液体の液面と液位差保持機構73に設けられた液体取出管74の高さ位置との液面差を一定に保った状態で液体を取り出すことによる液体の定量供給装置がある。   On the other hand, in the latter case, for example, as shown in FIG. 10, the device 71 includes a tank 72 and a liquid level difference holding mechanism 73. A liquid level difference holding mechanism 73 for taking out the liquid 76 is housed in a tank 72 that stores the liquid 76. The liquid level and the height position of the liquid extraction pipe 74 provided in the liquid level difference holding mechanism 73 are stored in the tank 72. There is a liquid quantitative supply device by taking out the liquid while keeping the liquid level difference constant.

特開2007−306991号JP2007-306991A 特開2002−370799号JP 2002-370799 A

しかしながら、シリンジポンプ等を用いた場合、例えば停電になった場合を想定してバックアップの外部電源を準備する必要が生じる場合があるのに加えてポンプを駆動するためのモーターに必要な消費電力は大きいという欠点がある。   However, when a syringe pump or the like is used, for example, it may be necessary to prepare a backup external power supply assuming a power failure, and in addition, the power consumption required for the motor for driving the pump is There is a disadvantage that it is large.

特に医療用途では患者の生命に直接関わるため、万が一の停電でも作動を続けることが絶対条件であるのでポンプのバックアップ体制ないしはバックアップ電源の準備は必須となるのに加え、消費電力が大きいことはコスト面からも課題となる。   Especially in medical use, it is directly related to the life of the patient. Therefore, it is absolutely necessary to continue operation even in the event of a power failure. In addition to preparing a backup system for the pump or a backup power supply, high power consumption is a cost. It becomes a problem from the aspect.

また液体を輸送する環境雰囲気がシリンジポンプ、チューブポンプを代表とする送液ポンプあるいは送液ポンプを駆動するためのモーターやボールネジ等ならびにそれらの制御機構の動作環境に適さない、たとえば高温であったり、高湿度であったりあるいは腐食雰囲気の環境の場合、環境に合致する仕様を有する送液ポンプまたはその駆動のための部品を用いなければならず、これによるコストアップも問題である。   In addition, the environmental atmosphere for transporting liquids is not suitable for the operating environment of syringe pumps, liquid pumps represented by tube pumps, motors for driving liquid pumps, ball screws, etc. and their control mechanisms, for example, high temperatures In the case of an environment with high humidity or a corrosive atmosphere, a liquid feed pump having specifications that match the environment or parts for driving the pump must be used, and this increases the cost.

あるいは、送液ポンプまたはその駆動のための部品を液体輸送の環境雰囲気の外に持ち出してこれらを配置することがあるが、設置スペースの増加、配線や配管の煩瑣化は避けられない。   Alternatively, the liquid feed pump or components for driving the liquid feed pump may be taken out of the environmental atmosphere for liquid transportation and disposed, but an increase in installation space and troublesome wiring and piping are inevitable.

一方、動力を用いない図7の方法は液体量を多く必要とする方式であるため、特に微量の液体供給には採用しづらいという問題がある。   On the other hand, since the method of FIG. 7 that does not use power is a method that requires a large amount of liquid, there is a problem that it is difficult to employ especially for supplying a small amount of liquid.

ここで、細胞を培養する場合においても、培養液の供給手段としては上記のような電力を用いたポンプなどを用いているのが現状である。
従って、このような細胞の培養においても、電源の喪失によるリスク、コストアップ、設備の煩瑣化などの問題が存在していることになる。特に、体外受精胚や体細胞クローン胚などの中には数個しか採取できないような極めて貴重な細胞があることから、このような細胞を確実に培養するためにも電源の喪失によるリスクへの対策は重要な課題となっている。
Here, even in the case of culturing cells, the current situation is that a pump using electric power as described above is used as a means for supplying the culture solution.
Therefore, even in the culture of such cells, there are problems such as a risk due to loss of power, an increase in cost, and troublesome equipment. In particular, in vitro fertilized embryos and somatic cell clone embryos have very precious cells that can be collected only a few. Countermeasures are an important issue.

本発明は上記の問題点や課題に鑑みてなされたものであり、外部動力を極力少なくして液体を所定流量で輸送する手段を提供することを目的とするものである。
特に、細胞(例えば、IPS細胞、ES細胞、体外受精胚や体細胞クローン胚などのような胚)を培養する場合において、培養液を連続的に輸送する有用な手段を提供することを目的とするものである。
The present invention has been made in view of the above problems and problems, and an object of the present invention is to provide means for transporting a liquid at a predetermined flow rate while reducing external power as much as possible.
In particular, in the case of culturing cells (eg, embryos such as IPS cells, ES cells, in vitro fertilized embryos, somatic cell clone embryos, etc.), an object is to provide a useful means for continuously transporting the culture solution. To do.

本発明は上記目的を達成するために水頭圧を用いて液体を輸送するのに加えて、流路の一部に隘路を設け、通過する液体の単位時間当たり流量を所定流量となるように同隘路に流量調整機構を設けることを特徴とする。   In order to achieve the above object, the present invention provides a bottleneck in a part of the flow path in addition to transporting the liquid using the hydraulic head pressure, so that the flow rate per unit time of the passing liquid is the same as the predetermined flow rate. A flow rate adjusting mechanism is provided in the bottleneck.

その一例として、水頭圧を得るために設けられたリザーバーより流路を経由して隘路に至る液体を輸送する経路において、リザーバーより流路につながる直前ないしは隘路に至るまでの流路の途中に少なくとも1か所の副流路が分岐しており、同副流路は袋小路となって隘路とは概直角方向に壁面を介して接している。副流路を満たす液体の水圧と流路中を流れる液体が隘路において副流路と隔てられる壁面に及ぼす圧力の差としての圧力差に従って隔てられた壁面の少なくとも一部が移動ないしは変形することにより、隘路を流れる液体の単位時間当たりの流量を所定流量とする輸送方法がある。   As an example, in a path for transporting liquid from a reservoir provided to obtain hydraulic head pressure via a flow path to a bottleneck, at least in the middle of the flow path from the reservoir to the bottleneck or immediately before connecting to the bottleneck One sub-flow path is branched, and the sub-flow path becomes a bag path and is in contact with the bottleneck through a wall surface in a direction substantially perpendicular to the narrow path. When at least part of the separated wall surface moves or deforms according to the pressure difference as the pressure difference between the hydraulic pressure of the liquid filling the subsidiary channel and the pressure of the liquid flowing in the channel on the wall surface separated from the subsidiary channel in the bottleneck. There is a transportation method in which the flow rate per unit time of the liquid flowing through the bottleneck is a predetermined flow rate.

あるいは、副流路は袋小路となるとともに副流路中に備えた圧力センサーにより水圧を測定し一方、隘路を構成する壁面の少なくとも一部に圧電体が組み込まれており、副流路中の圧力センサーによる水圧測定値に基づいて圧電体に適切な電圧を付加することにより隘路を構成する壁面を変形ないしは振動させることにより隘路を流れる液体の単位時間当たりの流量を所定流量とする輸送方法がある。   Alternatively, the secondary flow path becomes a bag path and the water pressure is measured by a pressure sensor provided in the secondary flow path, while the piezoelectric body is incorporated in at least a part of the wall surface constituting the narrow path, and the pressure in the secondary flow path There is a transportation method in which the flow rate per unit time of the liquid flowing through the bottleneck is changed to a predetermined flow rate by deforming or vibrating the wall surface constituting the bottleneck by applying an appropriate voltage to the piezoelectric body based on the measured water pressure by the sensor. .

あるいは、隘路を流れる液体の流量をセンサーにて測定した測定値に基づいて、隘路を構成する壁面の少なくとも一部に組み込まれた圧電体に適切な電圧を付加することにより隘路を構成する壁面を変形ないしは振動させることにより隘路を流れる液体の単位時間当たりの流量を所定流量とする輸送方法がある。   Alternatively, based on the measurement value obtained by measuring the flow rate of the liquid flowing through the bottleneck with the sensor, the wall surface constituting the bottleneck is applied by applying an appropriate voltage to the piezoelectric body incorporated in at least a part of the wall surface constituting the bottleneck. There is a transportation method in which the flow rate per unit time of the liquid flowing through the bottleneck is changed to a predetermined flow rate by deformation or vibration.

本発明は、水頭圧を用いて液体を輸送するのに加えて、流路の一部に流量調整機構を有する隘路が設けられており、外部より加わる圧力に応じて流量調整機構が作用することにより、通過する液体の単位時間当たり流量を所定流量となるようにするという特徴がある。   In the present invention, in addition to transporting the liquid using the hydraulic head pressure, a bottleneck having a flow rate adjusting mechanism is provided in a part of the flow path, and the flow rate adjusting mechanism acts according to the pressure applied from the outside. Therefore, there is a feature that the flow rate of the liquid passing therethrough is set to a predetermined flow rate.

送液ポンプ等の駆動機構を使用することがないため、消費電力が少ないかあるいは動力源そのものが不要となる。   Since a drive mechanism such as a liquid feed pump is not used, power consumption is low or a power source itself is not necessary.

従って、たとえ電力が必要となる場合でもコンパクトなバッテリーのみを装備するだけでよく、駆動エネルギーを供給するための配線等の供給経路が不要であるとともに停電等の不測の事態によるエネルギー供給停止による液体の輸送停止の恐れがないという特長がある。   Therefore, even if electric power is required, it is only necessary to equip with a compact battery, and there is no need for a supply path such as wiring for supplying drive energy, and liquid due to an energy supply stop due to an unexpected situation such as a power failure There is a feature that there is no fear of transportation stoppage.

また、段落[0018]〜[0020]に記載した効果が発現することから、細胞(例えば、IPS細胞、ES細胞、体外受精胚や体細胞クローン胚などのような胚)を培養する場合においても電源の喪失によるリスクや設備の煩瑣化の問題を解決することができる。   In addition, since the effects described in paragraphs [0018] to [0020] are expressed, even in the case of culturing cells (eg, embryos such as IPS cells, ES cells, in vitro fertilized embryos and somatic cell clone embryos). It is possible to solve the risk of power loss and troublesome facilities.

本発明を実施するための形態のひとつであり、水頭圧により液体を輸送する原理図である(図1(a)は水頭圧が高い状態を表し、図1(b)は水頭圧が低い状態を表す)。FIG. 1A is a diagram illustrating the principle of transporting a liquid by hydraulic head pressure, which is one embodiment for carrying out the present invention (FIG. 1A shows a state where the hydraulic head pressure is high, and FIG. 1B shows a state where the hydraulic head pressure is low. Represents). 本発明を実施するための形態のひとつであり、圧力差を受けて隘路の一部に流路の調整機能を有するピストンを備えた流量調整機構を示す断面図である(図2(a)は圧力差が大きい状態を表し、図2(b)は圧力差が小さい状態を表す)。FIG. 2A is a cross-sectional view showing a flow rate adjusting mechanism that is one of the embodiments for carrying out the present invention and includes a piston having a flow path adjusting function in a part of a bottleneck in response to a pressure difference (FIG. 2A). This represents a state where the pressure difference is large, and FIG. 2B represents a state where the pressure difference is small. 本発明を実施するための形態のひとつであり、圧力差を受けて隘路の一部に流路の調整機能を有する弾性体膜を備えた流量調整機構を示す断面図である(図3(a)は圧力差の大きい状態を表し、図3(b)は圧力差が小さい状態を表す)。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a flow rate adjustment mechanism that is one of the embodiments for carrying out the present invention and includes an elastic film having a flow path adjustment function in a part of a bottleneck in response to a pressure difference (FIG. ) Represents a state where the pressure difference is large, and FIG. 3B represents a state where the pressure difference is small). 本発明を実施するための形態のひとつであり、リザーバー部分を切り離して流量調整機構の部分のみを1個のチップとする場合の平面図である(図4(a)は圧力差の大きい状態を表し、図4(b)は水頭圧が小さい状態を表す)。FIG. 4A is a plan view in the case where the reservoir portion is separated and only the flow rate adjusting mechanism portion is used as one chip, which is one of the embodiments for carrying out the present invention (FIG. 4A shows a state where the pressure difference is large. 4 (b) shows a state where the hydraulic head pressure is small). 本発明を実施するための形態のひとつであり、チップ化された流量調整機構を示す図である(図5(a)は平面図であり、図5(b)は図5(a)のA−A‘断面図である)。FIG. 5A is a view showing a chip-shaped flow rate adjusting mechanism, which is one of the embodiments for carrying out the present invention (FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is A in FIG. 5A). -A 'sectional view). 図5に示した機構の別の形態を示す図である(図6(a)は平面図であり、図6(b)は図6(a)のB−B‘断面図である)。FIG. 6 is a view showing another form of the mechanism shown in FIG. 5 (FIG. 6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line B-B ′ of FIG. 6A). 図5に示した機構のさらに別の形態を示す図である(図7(a)は平面図であり、図7(b)は図7(a)のC−C‘断面図である)。It is a figure which shows another form of the mechanism shown in FIG. 5 (FIG. 7 (a) is a top view, FIG.7 (b) is C-C 'sectional drawing of Fig.7 (a)). 図6に示した培養装置を用いた際の液体の流量を示すグラフである。It is a graph which shows the flow volume of the liquid at the time of using the culture apparatus shown in FIG. 従来技術であるシリンジポンプの外観斜視図である。It is an external appearance perspective view of the syringe pump which is a prior art. 従来技術である液体の定量供給装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the fixed quantity supply apparatus of the liquid which is a prior art.

以下、図面に基づいて本発明の実施の実態を具体的に説明する。   The actual state of implementation of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings.

本発明は水頭圧により液体を輸送するものであり、図1はその原理を示す図である。   The present invention transports a liquid by water head pressure, and FIG. 1 is a diagram showing the principle thereof.

少なくとも1か所の吐出開口部1を備えた容器3に液体2を所定量入れて吐出開口部1より液体2を取り出すものである。   A predetermined amount of the liquid 2 is put into a container 3 having at least one discharge opening 1 and the liquid 2 is taken out from the discharge opening 1.

図1(a)は水頭圧が高い状態であり、水頭高さH1において吐出開口部1での吐出圧力をP1、吐出される液体の単位時間当たり流量V1とする。一方、図2(b)は水頭圧の低い状態であり、水頭高さをH2、吐出開口部1での吐出圧力をP2、吐出される液体の単位時間当たり流量をV2とすると、H1>H2であるためP1>P2となり、水頭圧の減少に伴って単位時間当たり流量は徐々に減少してV1>V2となる。   FIG. 1A shows a state in which the water head pressure is high. At the head height H1, the discharge pressure at the discharge opening 1 is P1, and the flow rate V1 of the liquid to be discharged is V1. On the other hand, FIG. 2B shows a state where the head pressure is low, where head height is H2, discharge pressure at the discharge opening 1 is P2, and flow rate per unit time of the discharged liquid is V2, H1> H2. Therefore, P1> P2, and the flow rate per unit time gradually decreases as V1> V2 as the head pressure decreases.

つまり、水頭圧が下がれば単位時間当たりの流量は減少し、期待する流量を得ることはできない。   That is, if the water head pressure decreases, the flow rate per unit time decreases and the expected flow rate cannot be obtained.

そこで水頭圧を用いて、なおかつ単位時間あたり所定流量の液体を供給することが可能な液体の輸送方法を考案した。   Therefore, a liquid transport method has been devised that uses water head pressure and can supply a liquid at a predetermined flow rate per unit time.

図2は液体を輸送する際、単位時間あたりの流量を所定流量とする流量調整機構の一例を示す。   FIG. 2 shows an example of a flow rate adjusting mechanism that sets a flow rate per unit time to a predetermined flow rate when transporting a liquid.

すなわち、容器102とピストン109から構成される液体供給装置101において、液面110を有する液体111は液体を供給するリザーバー103から流路105、そしてさらに断面積が小さくなる隘路106を通って出口107にて外部に流れ出すのに対して、流路103より副流路108が分岐し、隘路106においてピストン109を介して接する構造をなしている。   That is, in the liquid supply apparatus 101 including the container 102 and the piston 109, the liquid 111 having the liquid level 110 passes through the flow path 105 from the reservoir 103 that supplies the liquid, and the outlet 107 through the narrow path 106 having a smaller cross-sectional area. The sub-flow channel 108 is branched from the flow channel 103 and is in contact with the narrow channel 106 via the piston 109.

図2(a)に示すように、ピストン109は副流路108の壁面112にすきまなくはめこまれており、副流路108からの液体111による水圧PSと流れる液体がピストン下面において上向きに及ぼす圧力PIとの差である圧力差(PS−PI)に従ってなめらかに上下する構造をなしており、ピストン109は下向きに押し込まれて、隘路106はすきまがWとなるまで移動して液体の流量が絞られる。   As shown in FIG. 2 (a), the piston 109 is fitted in the wall surface 112 of the sub-channel 108 without any gap, and the water pressure PS and the flowing liquid from the sub-channel 108 exert upward on the lower surface of the piston. It has a structure that moves up and down smoothly according to the pressure difference (PS-PI) that is the difference from the pressure PI, the piston 109 is pushed downward, and the narrow channel 106 moves until the clearance becomes W, and the flow rate of the liquid is increased. Squeezed.

時間の経過により液体が出口107を経て流れ出た結果、図2( b)に示すように、液面110は低下してその結果水圧は低下してPS’となり、一方液体がピストン下面において上向きに及ぼす圧力はPI’まで低下することにより、ピストン109に加わる圧力差は(PS’−PI’)と図2(a)に比べて相対的に小さくなる。すると、ピストン109は上垂直方向に移動して、その結果隘路106におけるすきまが当初に比べて広がりW’となることにより隘路106で液体は流れ易くなる。   As a result of the passage of time, the liquid flows out through the outlet 107. As a result, as shown in FIG. 2 (b), the liquid level 110 is lowered, and as a result, the water pressure is lowered to PS '. By reducing the applied pressure to PI ′, the pressure difference applied to the piston 109 becomes relatively smaller than (PS′−PI ′) and FIG. As a result, the piston 109 moves in the upward vertical direction, and as a result, the clearance in the narrow passage 106 becomes wider W 'compared to the original, so that the liquid easily flows in the narrow passage 106.

その結果、圧力PIが小さくなることに起因する液体の流量減少分と隘路においてすきまWが広がることによる液体の流量回復分とのバランスにより単位時間あたりの流量が所定流量となるように流路ならびに隘路の構造を最適化設計することができる。   As a result, the flow path and the flow rate so that the flow rate per unit time becomes a predetermined flow rate due to the balance between the decrease in the flow rate of the liquid due to the decrease in the pressure PI and the recovery rate of the liquid flow rate due to the expansion of the clearance W in the bottleneck. The design of the bottleneck can be optimized.

図2の例においては、流量調整機構としてピストンを挙げたが、これ以外に栓、ピン、浮子を使用することもできる。   In the example of FIG. 2, the piston is cited as the flow rate adjusting mechanism, but other than this, a plug, a pin, and a float can be used.

単位時間あたりの流量を所定流量とする流量調整機構のもうひとつの一例を図3に示す。   FIG. 3 shows another example of the flow rate adjusting mechanism that sets the flow rate per unit time to a predetermined flow rate.

すなわち図3は、図2におけるピストン109を弾性体膜113に置き換えた構造をなす。   That is, FIG. 3 has a structure in which the piston 109 in FIG.

図3(a)及び図3(b)に示すように、弾性体膜113はピストン109と同じく圧力差の大きい状態では大きく変形して、隘路106におけるすきまは狭まってWとなり、隘路106を通過する液体の流れを阻害する。   As shown in FIG. 3A and FIG. 3B, the elastic film 113 is greatly deformed in the state where the pressure difference is large like the piston 109, and the clearance in the narrow passage 106 is narrowed to become W and passes through the narrow passage 106. Obstructs the flow of liquid.

また、ピストン109と同様に圧力差が小さくなることにより膜113は変形を回復して隘路106におけるすきまは広がってW’となり、液体の流れ阻害は緩和される。   Further, as with the piston 109, as the pressure difference becomes smaller, the film 113 recovers its deformation and the clearance in the narrow channel 106 widens to become W ', so that the liquid flow inhibition is alleviated.

しかしながら、図2及び図3において示す例はリザーバー103を内蔵した構造をなすもので、水頭圧を得るために高さ方向に大きなスペースを必要とするという問題点がある。   However, the example shown in FIGS. 2 and 3 has a structure in which the reservoir 103 is built in, and has a problem that a large space is required in the height direction in order to obtain the hydraulic head pressure.

これを解決するためにリザーバー部分を切り離して、所定流量の液体を供給する機構のみを平面的に配置したチップとし、必要なリザーバーは別の場所に取り付ける方法あるいは液体の供給口を通じて水頭圧以外の手段にて圧力を加える方法が考えられる。   In order to solve this problem, the reservoir part is separated, and only a mechanism for supplying a liquid at a predetermined flow rate is arranged in a plane, and the necessary reservoir is attached to a different place or other than water head pressure through a liquid supply port. A method of applying pressure by means is conceivable.

前者の方法にもとづいた単位時間あたり所定流量の液体を供給する機構の一例を図4に示す。   An example of a mechanism for supplying a predetermined flow rate of liquid per unit time based on the former method is shown in FIG.

まず、図4に記載の液体を供給する装置33は、流路30と、流路30から分岐する副流路36が設けられている構造となっている。流路30には入口32と出口31の途中に隘路34が設けられており、隘路34は向かい合う1対の弾性体膜35を介して1対の副流路36と接する構造となっている。   First, the liquid supply device 33 shown in FIG. 4 has a structure in which a flow path 30 and a sub-flow path 36 branched from the flow path 30 are provided. The channel 30 is provided with a narrow channel 34 in the middle of the inlet 32 and the outlet 31, and the narrow channel 34 has a structure in contact with a pair of sub-channels 36 via a pair of opposing elastic films 35.

図4(a)に示すように、液体は入口32から隘路34を通って出口31より流れ出る構造となっており、副流路36側から弾性体膜35に加わる静水圧PSと流路30側より弾性体膜35に加わる圧力PIの差である圧力差(PS−PI)によって形成されるすきまAの間を液体が流れ、このとき単位時間当たりの流量Vの液体が出口31より流れ出る。なお、出口31は外界に対して開いているので液体の出口31での出口圧POはゼロである。   As shown in FIG. 4A, the liquid flows from the inlet 32 through the narrow channel 34 and out of the outlet 31, and the hydrostatic pressure PS applied to the elastic film 35 from the side of the auxiliary flow path 36 and the flow path 30 side. Further, the liquid flows through the gap A formed by the pressure difference (PS-PI) which is the difference in the pressure PI applied to the elastic film 35, and at this time, the liquid with the flow rate V per unit time flows out from the outlet 31. Since the outlet 31 is open to the outside, the outlet pressure PO at the liquid outlet 31 is zero.

副流路36の断面積が十分大きく、水流抵抗が無視できる場合、静水圧PSはリザーバーの液面と弾性体膜35との高度差による水頭圧に等しいのに対して流路30を流れる液体は流路30における水流抵抗が減じて隘路34に達する際には圧力はPIとなっており、圧力差(PS−PI)により弾性体膜35が変形してすきまAを形成する。   When the cross-sectional area of the secondary flow path 36 is sufficiently large and the water flow resistance can be ignored, the hydrostatic pressure PS is equal to the water head pressure due to the altitude difference between the liquid level of the reservoir and the elastic film 35, whereas the liquid flowing through the flow path 30 When the water flow resistance in the flow path 30 decreases and reaches the narrow channel 34, the pressure is PI, and the elastic film 35 is deformed by the pressure difference (PS-PI) to form the gap A.

圧力差が小さいときは、隘路34のすきまは狭くなってAとなり流量は絞られるのに対して、圧力差が小さくなるに従って図4(b)に示すように隘路34のすきまは広がってA’となり、液体は流れ易くなる。   When the pressure difference is small, the clearance of the narrow path 34 becomes narrower and becomes A, and the flow rate is reduced. On the other hand, as the pressure difference decreases, the clearance of the narrow path 34 increases and becomes A ′ as shown in FIG. Thus, the liquid easily flows.

すなわち液体が連続的に流れ出ることにより、圧力PIが時々刻々変化して当初に比べΔPだけ低くなった場合、圧力PI’=PI−ΔPとなるが出口側圧力はPO’=0で変わりはない。   That is, when the pressure PI changes from time to time due to the continuous flow of the liquid and becomes lower by ΔP than the original, the pressure PI ′ = PI−ΔP, but the outlet side pressure remains unchanged at PO ′ = 0. .

一方液体が流れ出ることでリザーバーでの液体の液面は低下するため水頭圧は低下し、したがって水圧PSも低下してPS’となり圧力差は(PS’−PI’)となるが(PS’−PI’)<(PS−PI)であるので弾性体膜35の流路側への変形は緩和されてすきまは広がってA’となる。このとき隘路34を経て出口31より流れ出る液体の流量が当初と同じVとなるようにあらかじめ流体解析あるいは実験の少なくとも一方を用いて流路、副流路の配置や構造などを設計することにより、所望する単位時間当たり所定流量の液体を連続的に供給する機構を形成することができる。   On the other hand, when the liquid flows out, the liquid level in the reservoir is lowered, so that the water head pressure is lowered. Therefore, the water pressure PS is also lowered to PS ′, and the pressure difference becomes (PS′−PI ′). Since PI ′) <(PS−PI), the deformation of the elastic film 35 toward the flow path is alleviated and the clearance is widened to A ′. At this time, by designing the arrangement and structure of the flow paths and sub-flow paths using at least one of the fluid analysis or the experiment in advance so that the flow rate of the liquid flowing out from the outlet 31 through the bottleneck 34 is the same as the initial value, A mechanism for continuously supplying a predetermined flow rate of liquid per unit time can be formed.

なお、液体を補給するなどの理由によりリザーバーでの液体の液面が上昇すれば水頭圧は増加するので、水圧PSも増加してPS”となる。このときPIもPI”= PI+ΔPとなるので、圧力差は(PS”−PI”)となるが(PS”−PI”)>(PS−PI)であるので弾性体膜35の流路側への変形は大きくなってすきまはさらに狭まってA”となるが、流れの阻害増加とPIの増加による流量増とのバランスにより、単位時間当たり所定流量の液体を連続的に供給する機構を形成することができる。   If the liquid level in the reservoir rises for reasons such as replenishing the liquid, the water head pressure increases, so the water pressure PS also increases to PS ". At this time, PI is also PI" = PI + ΔP. The pressure difference becomes (PS "-PI"), but (PS "-PI")> (PS-PI), so that the deformation of the elastic membrane 35 toward the flow path is increased and the clearance is further reduced. However, a mechanism for continuously supplying a liquid at a predetermined flow rate per unit time can be formed by a balance between an increase in flow inhibition due to an increase in flow inhibition and an increase in PI.

なお、弾性体膜35の感度及び応答性を高めるためには圧力差(PS−PI)を大きくすることが有効である。   In order to increase the sensitivity and responsiveness of the elastic film 35, it is effective to increase the pressure difference (PS-PI).

ここで、このような圧力差を大きくする手段として、流路の全部または一部に水流抵抗調整手段を設けることが有効である。そしてこのような水流抵抗調整手段としては、例えば、1)リザーバーから副流路が分岐する以降かつ隘路に至るまでの流路において流路をジグザグ状に長くする、2)流路の断面積を副流路の断面積よりも小さくする、3)流路の表面積は変更せずに流路の深さを変更する、4)流路を構成する壁面に凹凸をつけて表面積を大きくする、5)流路中に障害物を設置する、6)液体の流れに対して抵抗性の高い材料にて流路を形成する、などの手段が挙げることができる。ここで、水流抵抗調整手段に1)に記載した手段を採用する場合には、後記する図6や図7のように流路の屈曲する回数などを調整することによって、所望する圧力差を得ることができる。   Here, as a means for increasing such a pressure difference, it is effective to provide a water flow resistance adjusting means for all or part of the flow path. As such water flow resistance adjusting means, for example, 1) the flow path is elongated in a zigzag manner in the flow path after the sub flow path branches from the reservoir to the bottleneck, and 2) the cross-sectional area of the flow path is 3) Change the depth of the flow path without changing the surface area of the flow path, and 4) Increase the surface area by forming irregularities on the wall surface constituting the flow path. Examples thereof include :)) installing an obstacle in the flow path; and 6) forming the flow path with a material having high resistance to the flow of liquid. Here, when the means described in 1) is adopted as the water flow resistance adjusting means, a desired pressure difference is obtained by adjusting the number of times the flow path is bent as shown in FIGS. be able to.

また、弾性体膜35としては天然ゴム、合成ゴム、熱硬化性エラストマー、熱可塑性エラストマー、シリコーン樹脂の少なくともいずれかを含む材料から構成されることが望ましく、これらは装置33を構成する材料としても用いることができ弾性体膜35を含む装置33を一体で作成できるという点で利便性がある。あるいは、弾性体膜35を栓、ピン、ピストン、ねじのうちの少なくともいずれかにて置き換えることも、超弾性金属、形状記憶合金、形状記憶プラスチックの少なくともいずれかにて置き換えることもできる。   The elastic film 35 is preferably made of a material containing at least one of natural rubber, synthetic rubber, thermosetting elastomer, thermoplastic elastomer, and silicone resin. There is convenience in that the device 33 including the elastic film 35 can be integrally formed. Alternatively, the elastic film 35 can be replaced with at least one of a stopper, a pin, a piston, and a screw, or can be replaced with at least one of a super elastic metal, a shape memory alloy, and a shape memory plastic.

次に、単位時間あたり流量を所定流量として液体を供給する機構のもうひとつの一例を図5に示す。   Next, FIG. 5 shows another example of a mechanism for supplying a liquid with a flow rate per unit time as a predetermined flow rate.

図5(a)に示す通り、液体を供給する装置401を構成する部品としてのチップ402において、輸送すべき液体はリザーバーに直結して開口部403に至り副流路406と分岐したあと流路入口404より流路405へと流入し、両側壁面が弾性体膜407より構成される隘路408に至り、液体の出口409を経て外に流れ出る構造となっているが、副流路406は袋小路となっていて、袋小路の行き止まり部分は弾性体膜407を介して隘路408に接する構造をなしている。   As shown in FIG. 5A, in the chip 402 as a component constituting the liquid supply apparatus 401, the liquid to be transported is directly connected to the reservoir, reaches the opening 403, and branches from the auxiliary flow path 406. Although it flows into the flow path 405 from the inlet 404, the both side walls reach a narrow path 408 composed of the elastic film 407, and flows out through the liquid outlet 409. The dead end portion of the bag path is in contact with the narrow path 408 through the elastic film 407.

また図5(b)に示す通り、チップ402には、流路構造を閉空間とするためのプレート410を貼りつけることにより液体を供給する装置401が完成する。なお、必要に応じて開口部403にリザーバーを連結してもよいし、流れ出た液体を次工程に送る機構と連結するのもよい。   Further, as shown in FIG. 5B, a device 401 for supplying a liquid is completed on the chip 402 by attaching a plate 410 for making the flow path structure a closed space. If necessary, a reservoir may be connected to the opening 403, or a mechanism for sending the liquid that has flowed out to the next process may be connected.

プレート410は視認性確保のためにガラス板、透明の樹脂板とするのもよい。   The plate 410 may be a glass plate or a transparent resin plate for ensuring visibility.

なお、図5は1種類の液体を輸送する例であるが、供給口ないしはリザーバーを複数個所設けることにより同時に複数種類の液体を供給することもできる。   Although FIG. 5 shows an example of transporting one type of liquid, a plurality of types of liquid can be simultaneously supplied by providing a plurality of supply ports or reservoirs.

チップ402は同一の材料からなる一体品とするのもよいが、例えば弾性体を材料とする場合は天然ゴム、合成ゴム、熱硬化性エラストマー、熱可塑性エラストマー、シリコーン樹脂の少なくともいずれかを含む材料とすることが望ましい。   The chip 402 may be an integral product made of the same material. For example, when an elastic body is used, the chip 402 is a material containing at least one of natural rubber, synthetic rubber, thermosetting elastomer, thermoplastic elastomer, and silicone resin. Is desirable.

もとより弾性体膜407を除くチップ402を構成する材料と弾性体膜407を構成する材料とを異なる材料とすることは全く差し支えないが、この場合弾性体膜407としては天然ゴム、合成ゴム、熱硬化性エラストマー、熱可塑性エラストマー、シリコーン樹脂の少なくともいずれかを含む弾性体材料を用いることが望ましい。   Of course, the material constituting the chip 402 excluding the elastic film 407 and the material forming the elastic film 407 may be different from each other. In this case, the elastic film 407 includes natural rubber, synthetic rubber, heat, and the like. It is desirable to use an elastic material containing at least one of a curable elastomer, a thermoplastic elastomer, and a silicone resin.

あるいは超弾性金属、形状記憶合金、形状記憶プラスチック、繊維をはじめとする伸縮体の少なくともいずれかを用いることができる。   Alternatively, at least one of a stretchable body including a super elastic metal, a shape memory alloy, a shape memory plastic, and a fiber can be used.

また、栓、ピン、ピストン、浮子のうちの少なくともいずれかを使用することも差し支えない。   Further, at least one of a stopper, a pin, a piston, and a float may be used.

次に、図5に示した機構を細胞の培養装置として用いた場合の形態を図6および図7に示す。
図6および図7に示す培養装置501(501a、501b)は、図5の機構の流路と副流路の形状を変更したのに加え、培養液を貯蔵するリザーバータンク502、細胞を収納するウェル503、廃液口504を追加した構造となっている。なお、図7に示す培養装置は、図6に示す培養装置における副流路505の形状を変更したものである。
Next, FIG. 6 and FIG. 7 show an embodiment in which the mechanism shown in FIG. 5 is used as a cell culture device.
The culture apparatus 501 (501a, 501b) shown in FIG. 6 and FIG. 7 contains the reservoir tank 502 for storing the culture solution and the cells in addition to the shape of the flow path and the sub flow path of the mechanism of FIG. A well 503 and a waste liquid port 504 are added. In addition, the culture apparatus shown in FIG. 7 changes the shape of the subchannel 505 in the culture apparatus shown in FIG.

具体的には、リザーバータンク502を、高さを持つ筒状とすることによって、大きな水頭圧を得る構造となっている。また、流路506については略直角に屈曲するジグザク状とし、断面積を副流路の断面積よりも小さくした構造となっている。副流路505については、袋小路の行き止まり部分が弾性体膜506(壁面)を介して隘路507と略直角方向に接している構造となっている。さらに、隘路507と廃液口504との間には培養したい細胞などを収納するウェル503が設けられている構造となっている。   Specifically, the reservoir tank 502 is formed in a cylindrical shape having a height to obtain a large head pressure. Further, the flow path 506 has a zigzag shape that is bent substantially at a right angle, and has a cross-sectional area smaller than that of the sub-flow path. The auxiliary flow path 505 has a structure in which a dead end portion of the narrow path is in contact with the narrow path 507 in a substantially perpendicular direction via an elastic film 506 (wall surface). Further, a well 503 for storing cells to be cultured is provided between the bottleneck 507 and the waste liquid port 504.

そして、図6および図7に示す培養装置501(501a、501b)についても、段落[0030]〜[0033]において記載した動作と同じ動作を行うことから、隘路507の出口から所定の流量の培養液を吐出することができ、その結果、電力を用いた外部動力を用いることなく常に新鮮な培養液を細胞に供給することができることになる。特に、体外受精胚や体細胞クローン胚などの中には数個しか採取できないような極めて貴重な細胞があることから、このような細胞に常に新鮮な培養液を供給することができ、その結果、これらの細胞を確実に培養することができることになる。   The culture apparatus 501 (501a, 501b) shown in FIG. 6 and FIG. 7 performs the same operation as the operation described in paragraphs [0030] to [0033], so that the culture is performed at a predetermined flow rate from the outlet of the bottleneck 507. The liquid can be discharged, and as a result, a fresh culture liquid can always be supplied to the cells without using external power using electric power. In particular, in vitro fertilized embryos and somatic cell clone embryos have very precious cells that can be collected only a few, so it is possible to always supply fresh culture solution to such cells, and as a result These cells can be reliably cultured.

なお、図6および図7に示す培養装置は、以下の寸法となっているがこれに限定されるものではなく、培養する細胞や培養液の種類、必要とされる培養液の量などに応じて適宜変更することができる。
全長:25mm
全幅:6mm
流路508の形状および寸法:幅0.06mm×深さ0.1mmの四角筒形状
副流路505の形状および寸法:幅0.4mm×深さ0.1mmの四角筒形状
リザーバータンク502の形状および寸法:内径8mm×高さ30mmの円筒形状
弾性体膜506(壁面)の厚み:0.01mm
弾性体膜506で形成される隘路507のすきま(培養液がない状態):0.02mm
The culture apparatus shown in FIG. 6 and FIG. 7 has the following dimensions, but is not limited to this. Depending on the type of cells to be cultured, the type of culture solution, the amount of culture solution required, etc. Can be changed as appropriate.
Total length: 25mm
Full width: 6mm
Shape and dimensions of the flow path 508: square cylinder shape with a width of 0.06 mm × depth of 0.1 mm Shape and dimension of the auxiliary flow path 505: square cylinder shape with a width of 0.4 mm × depth of 0.1 mm Shape of the reservoir tank 502 And dimensions: Cylindrical shape with an inner diameter of 8 mm × height of 30 mm.
Clearance of bottleneck 507 formed by elastic membrane 506 (in the absence of culture solution): 0.02 mm

次に、図6に示す培養装置501の流量調整能力について評価を行った。具体的には、以下の方法によって評価した。
1)まず、図6の培養装置のリザーバータンク502に水(培養液を想定)を充填した。
2)次に、水の上に流動パラフィンを注ぎ込むことによって、水面の上層に水の蒸発を防止するための流動パラフィン層を形成した。
3)最後に、廃液口504を開放し、水が輸送されるに従って低下していく水面の高さ(h)をレーザ変位計(キーエンス社製:LK−G30)にて測定することによって流量調整能力の評価を行った。結果を図8に示す。
Next, the flow rate adjustment capability of the culture apparatus 501 shown in FIG. 6 was evaluated. Specifically, the evaluation was performed by the following method.
1) First, water (assuming a culture solution) was filled in the reservoir tank 502 of the culture apparatus of FIG.
2) Next, the liquid paraffin layer for preventing evaporation of water was formed in the upper layer of the water surface by pouring liquid paraffin on water.
3) Finally, the waste liquid port 504 is opened, and the flow rate is adjusted by measuring the height (h) of the water surface, which decreases as the water is transported, with a laser displacement meter (manufactured by KEYENCE: LK-G30). The ability was evaluated. The results are shown in FIG.

図8から、時間の経過と水面の変位とが直線関係(比例関係)となっていることがわかる。
従って、本発明の培養装置は、リザーバータンク502内の水が少なくなることによって水頭圧が低下する場合でも、隘路507のすきまが適宜調整される流量調整機構を有していることから、常に所定流量の水(培養液)を細胞に供給することができるものであることがわかった。
FIG. 8 shows that the passage of time and the displacement of the water surface have a linear relationship (proportional relationship).
Therefore, the culture apparatus of the present invention has a flow rate adjusting mechanism that appropriately adjusts the clearance of the bottleneck 507 even when the water head pressure decreases due to a decrease in the water in the reservoir tank 502. It was found that a flow rate of water (culture solution) can be supplied to the cells.

401 液体供給装置
402 チップ
403 開口部
404 流路入口
405 流路
406 副流路
407 弾性体膜
408 隘路
409 流路出口
410 プレート
401 Liquid supply device 402 Chip 403 Opening 404 Flow path inlet 405 Flow path 406 Sub flow path 407 Elastic body film 408 Kushiro 409 Flow path outlet 410 Plate

Claims (15)

水頭圧を駆動力として流路中の液体を輸送する方法であって、流路の一部に流量調整機構を有する隘路を設けることによって、出口から吐出される液体の単位時間当たりの流量を調整することを特徴とする液体の輸送方法。   This is a method for transporting liquid in the flow path using water head pressure as the driving force, and by adjusting the flow rate per unit time of the liquid discharged from the outlet by providing a bottleneck with a flow rate adjustment mechanism in part of the flow path A method for transporting a liquid, comprising: 水頭圧を維持するために、前記流路の途中および/または手前に液体を供給するための供給手段あるいはリザーバータンクが設けられていることを特徴とする請求項1に記載の液体の輸送方法。   2. The method for transporting liquid according to claim 1, wherein supply means or a reservoir tank for supplying the liquid is provided in the middle and / or near the flow path in order to maintain the water head pressure. 前記隘路を構成する壁面の全部または一部が、移動または変形することによって、液体の単位時間当たりの流量を調整することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の液体の輸送方法。   The method for transporting a liquid according to claim 1 or 2, wherein the flow rate per unit time of the liquid is adjusted by moving or deforming all or part of the wall surface constituting the bottleneck. 前記流路と前記流路から分岐する少なくとも1つからなる副流路とが設けられており、前記副流路は袋小路となっていて、かつ前記袋小路の行き止まり部分は前記隘路を構成する壁面を介して前記隘路と接しており、前記副流路を満たす液体の水圧と、前記流路中を流れる液体が前記壁面に及ぼす圧力との圧力差によって、前記壁面の全部または一部を移動または変形させることにより、出口から吐出される液体の単位時間当たりの流量を調整することを特徴とする請求項3に記載の液体の輸送方法。   The flow path and at least one sub-flow path branched from the flow path are provided, the sub-flow path is a bag path, and a dead end portion of the bag path is a wall surface constituting the bottleneck. All or part of the wall surface is moved or deformed by the pressure difference between the hydraulic pressure of the liquid that is in contact with the bottleneck and fills the sub-flow channel and the pressure that the liquid flowing in the flow channel exerts on the wall surface The liquid transport method according to claim 3, wherein the flow rate per unit time of the liquid discharged from the outlet is adjusted. 前記流路と前記流路から分岐する少なくとも1つからなる副流路とが設けられており、前記副流路は袋小路となっていて、かつ前記袋小路の行き止まり部分は前記隘路を構成する壁面を介して接しており、前記副流路の経路中に前記副流路の水圧を測定する圧力センサーを備えるとともに、前記壁面の全部または一部に圧電体を備え、前記圧力センサーによる測定値に基づいて前記圧電体を変形または振動させることによって、出口から吐出される液体の単位時間当たりの流量を調整することを特徴とする請求項3に記載の液体の輸送方法。   The flow path and at least one sub-flow path branched from the flow path are provided, the sub-flow path is a bag path, and a dead end portion of the bag path is a wall surface constituting the bottleneck. A pressure sensor for measuring the water pressure of the sub-flow channel in the path of the sub-flow channel, and a piezoelectric body on all or part of the wall surface, and based on a measurement value by the pressure sensor 4. The liquid transport method according to claim 3, wherein the flow rate per unit time of the liquid discharged from the outlet is adjusted by deforming or vibrating the piezoelectric body. 前記壁面の全部または一部が、栓、ピン、ピストン、浮子のうちのいずれかにより構成されることを特徴とする請求項4に記載の液体の輸送方法。   The method for transporting a liquid according to claim 4, wherein all or part of the wall surface is formed of any one of a stopper, a pin, a piston, and a float. 前記壁面の全部または一部が、弾性体から構成されることを特徴とする請求項4に記載の液体の輸送方法。   The method for transporting a liquid according to claim 4, wherein all or part of the wall surface is made of an elastic body. 前記壁面の全部または一部が、伸縮体から構成されることを特徴とする請求項4に記載の液体の輸送方法。   The method for transporting a liquid according to claim 4, wherein all or a part of the wall surface is made of a stretchable body. 前記壁面の全部または一部が、超弾性金属、形状記憶合金、形状記憶プラスチックの少なくともいずれかにより構成されることを特徴とする請求項4に記載の液体の輸送方法。   5. The liquid transport method according to claim 4, wherein all or part of the wall surface is made of at least one of a superelastic metal, a shape memory alloy, and a shape memory plastic. 前記流路の全部または一部に、水流抵抗調整手段を設けることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の液体の輸送方法。   6. The method for transporting a liquid according to claim 4, wherein a water flow resistance adjusting means is provided on all or a part of the flow path. 前記水流抵抗調整手段が、前記流路をジグザグ状に長くしたものであることを特徴とする請求項10に記載の液体の輸送方法。   The method for transporting a liquid according to claim 10, wherein the water flow resistance adjusting means is such that the channel is elongated in a zigzag shape. 前記水流抵抗調整手段が、前記流路の断面積を前記副流路の断面積よりも小さくしたものであることを特徴とする請求項10に記載の液体の輸送方法。   The method for transporting a liquid according to claim 10, wherein the water flow resistance adjusting means has a cross-sectional area of the flow path smaller than a cross-sectional area of the sub-flow path. 前記水流抵抗調整手段が、前記流路の壁面に凹凸をつけて表面積を大きくしたものであることを特徴とする請求項10に記載の液体の輸送方法。   The method for transporting a liquid according to claim 10, wherein the water flow resistance adjusting means has a surface area increased by providing irregularities on a wall surface of the flow path. 前記水流抵抗調整手段が、前記流路中に障害物を設けたものであることを特徴とする請求項10に記載の液体の輸送方法。   The liquid transport method according to claim 10, wherein the water flow resistance adjusting means is provided with an obstacle in the flow path. 請求項1から請求項14のいずれか一項に記載の液体の輸送方法を用いることを特徴とする細胞の培養方法。   A method for culturing cells, comprising using the method for transporting a liquid according to any one of claims 1 to 14.
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