JP2014106105A - 液流量計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】流路内を流れる液体の流量を計測する液流量計測装置において、計測対象となる液体がセンサ等と直接接触して雑菌等に感染する虞がなく、かつ、医療機器分野や細胞増殖機器分野での使用に適したものとする。
【解決手段】液流量計測装置１は、流路２ａと、流路２ａの上流側及び下流側に配置された光センサＡ，Ｂと、を備えている。流路２ａ内を移動する気体と液体とでは、光透過率が違うので、光センサＡ，Ｂの検出信号の変化を基に気体と液体の境界を検出し、上流側の光センサＡが上記境界の通過を検出してから下流側の光センサＢが上記境界の通過を検出するまでの経過時間ｔに基づいて液体の流量を算出することができる。この液流量計測装置１は、流量計測のために光センサＡ，Ｂと液体とが直接接触することがなく、また、流量計測のために液体を加熱する必要もなく液体にダメージを与えることがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、流路内を流れる液体の流量を計測する液流量計測装置に関する。

従来、流路を流れる液体の流量を計測する種々の流量計が知られており、計測対象となる液体の流量測定値の範囲、種類又は流量計の設置の仕方等の条件が考慮されて最適なものがユーザにより使用される。

例えば、流量計と計測対象となる液体とを直接接触させた状態で設置する場合、容積流量計、面積流量計、差圧流量計又は質量流量計が使用され、流量計と液体とを直接接触させない状態で設置する場合、超音波流量計又は電磁流量計が使用される。また、例えば、液体の微小な流量を計測する場合、超音波流量計又は質量流量計が使用される。

ところで、医療機器分野における人工透析用チューブポンプや細胞増殖機器分野におけるマイクロ流体デバイスにおいて流量を計測する場合、計測対象となる液体（例えば、インスリン、細胞又は培養液等）の流量は、非常に微小（例えば、μリットル／分単位の値）である。一般的には、そのように非常に微小な流量を計測する場合、上記質量流量計の中でも特に熱式質量流量計が使用されることが多い。

上記熱式質量流量計の例として、流路の上流側において液体の温度を検出する第１の温度センサと、第１の温度センサよりも下流側において液体を加熱するヒータと、ヒータよりも下流側において液体の温度を検出する第２の温度センサと、を備え、これらがほぼ等間隔で流路に配置されたものが知られている。このような熱式質量流量計においては、ヒータにより加熱された液体の温度が下流側の第２の温度センサにより検出されるので、両センサ間では検出温度差が生じる。流路内の液体の流量と第１及び第２の温度センサによる検出温度差との間には相関関係があり、この相関関係から上記温度差を利用して流量を計測することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２３３８５９号公報

上記特許文献１に記載されたような熱式質量流量計においては、非常に微小な流量を高精度に計測することはできるが、流量計測時に計測対象となる液体と第１及び第２の温度センサとが直接接触した状態で使用される。このため、液体が雑菌等に感染する虞がある。また、この流量計は、流量計測時にヒータにより液体を加熱するので、液体に熱を加えることを好まない医療機器分野や細胞増殖機器分野での使用には適さない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、計測対象となる液体がセンサ等と直接接触して雑菌等に感染する虞がなく、かつ、医療機器分野や細胞増殖機器分野での使用に適した液流量計測装置を提供することを目的とする。

本発明の液流量計測装置は、流路内を流れる液体の流量を計測する液流量計測装置であって、流体を流すための所定の断面積を有した流路を成すチューブと、前記流路の上流側及び下流側に所定の距離隔てた位置にそれぞれ配置された光センサと、を備え、前記光センサの各々は、前記流路に光を照射して該流路を透過した光量が該流路内を移動する気体と液体の光透過率の違いによって変化することに基づいて該流路内を移動する気体と液体の境界を検出し、前記上流側の光センサが前記境界の通過を検出してから前記下流側の光センサが前記境界の通過を検出するまでの経過時間に基づいて前記液体の流量を算出するものである。

この液流量計測装置において、気体と液体の境界を作るために前記上流側の光センサよりも上流側において前記流路に気泡を注入する気泡注入部を備え、流量計測時に前記気泡注入部を動作させることが好ましい。

この液流量計測装置において、前記下流側の光センサよりも下流側において前記流路内に流れる気泡を該流路から回収する気泡回収部をさらに備えたことが好ましい。

この液流量計測装置において、前記気泡注入部及び気泡回収部は、前記液体を通過させることなく前記気泡のみを通過させる半透過膜を介して前記流路にそれぞれ接続されていることが好ましい。

この液流量計測装置において、前記気泡注入部及び気泡回収部は、開閉バルブを介して前記流路にそれぞれ接続され、前記開閉バルブは、開状態のときに前記気泡を通過させ、閉状態のときに前記気泡を通過させないことが好ましい。

本発明の液流量計測装置によれば、流路内を移動する気体と液体とでは、光透過率が違うので、光センサの検出信号の変化を基に気体と液体の境界を検出することができる。従って、上流側の光センサが上記境界の通過を検出してから下流側の光センサが上記境界の通過を検出するまでの経過時間に基づいて液体の流量を算出することができる。ここに、流量計測のために光センサと液体とが直接接触することがなく、液体が雑菌等に感染する虞がない。また、この液流量計測装置は、流量計測のために液体を加熱する必要もなく、液体として例えば細胞や培養液等が用いられた場合でも、それらにダメージを与えることがないので、医療機器分野や細胞増殖機器分野での使用に適した計測装置が得られる。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る液流量計測装置の正面図、（ｂ）は同液流量計測装置が備えたチューブの断面図。 同液流量計測装置が備えた光センサの出力波形の例を示す図。 （ａ）は本発明の第２の実施形態に係る液流量計測装置を示す正面図、（ｂ）は同液流量計測装置が備えた半透過膜を含む流路の一部拡大図。 本発明の第３の実施形態に係る液流量計測装置を示す正面図。

本発明の第１の実施形態に係る液流量計測装置について、図１（ａ），（ｂ）及び図２を参照して説明する。図１（ａ），（ｂ）に示すように、液流量計測装置１は、流路２ａを構成するチューブ２と、流路２ａの上流側及び下流側に所定の距離Ｌ隔てた位置にそれぞれ配置された光センサＡ，Ｂと、光センサＡ，Ｂによる検出信号を基に流量を計測する検出回路３と、を備えている。流路２ａの内部は初期状態においては空気等の気体で満たされた状態（中空状態）にあり、流路２ａの上流端から下流端に向けて水等の液体が流入され、光センサＡ，Ｂはその液体と気体の境界の通過をそれぞれ検出する。

チューブ２は、例えば医療機器分野においてチューブポンプに用いられたり、細胞増殖機器分野においてマイクロ流体デバイス等に用いられるものである。チューブ２の流路２ａは、流体を流すための所定の断面積Ｓを有する（図１（ｂ）参照）。この所定の断面積Ｓの値は、液体の流量を算出するために用いられ、予めユーザにより適当な値に設定され、検出回路３に入力される。チューブ２の材料として、可撓性材料が用いられる。また、少なくともチューブ２の光センサＡ，Ｂが配置されている部分は、光透過性の材料が用いられる。

光センサＡ，Ｂは、フォトインタラプタ等であって、ＬＥＤ（発光ダイオード）等の発光素子Ａ１，Ｂ１、及びフォトトランジスタ等の受光素子Ａ２，Ｂ２を有する。発光素子Ａ１，Ｂ１及び受光素子Ａ２，Ｂ２は、チューブ２の長手方向に対して垂直な方向に沿ってチューブ２を挟むようにそれぞれ設けられている。発光素子Ａ１，Ｂ１から発せられた光は、流路２ａを透過して受光素子Ａ２，Ｂ２に受光される。上記所定の距離Ｌの値は、上記所定の断面積Ｓの値と同様に、液体の流量を算出するために用いられ、予めユーザにより適当な値に設定され、検出回路３に入力される。

検出回路３は、タイマ部と、液体の流量を算出する演算部と、を有する。タイマ部は、光センサＡが流路２ａ内を移動する液体と気体の境界の通過を検出してから光センサＢがその境界の通過を検出するまでの経過時間ｔを計測する。演算部は、上記経過時間ｔ、並びに予めユーザにより入力された所定の断面積Ｓの値及び所定の距離Ｌの値に基づいて流路２ａ内の液体の流量を算出する。

上記構成を有する液流量計測装置１においては、光センサＡ，Ｂの各々は、発光素子Ａ１，Ｂ１を発光させてチューブ２の流路２ａに光を照射する。そして、光センサＡ，Ｂの各々は、流路２ａを透過した光量がこの流路２ａ内を移動する液体と気体の光透過率の違いによって変化すること、すなわち、その光透過率の違いによる受光素子Ａ２，Ｂ２の受光量の変化に基づいてこの流路２ａ内を移動する液体と気体の境界を検出する。

例えば流路２ａの内部が空気で満たされた状態であって、この流路２ａの上流端から水が移動する場合、水の光透過率は空気の光透過率よりも小さいので、水が光センサＡ，Ｂを通過すると、受光素子Ａ２，Ｂ２の受光量は水の通過前に比べて少なくなり、光センサＡ，Ｂは受光量が少なくなったことに基づいて上記境界の通過を検出する。

次に、上記境界の通過が検出される際の光センサＡ，Ｂの出力波形の例について、図２を参照して説明する。初期状態として流路２ａの内部は中空状態にあり、光センサＡ，Ｂの出力波形はともにＬｏｗレベルに設定されている。この状態から流路２ａの上流端から液体が移動し、その液体が光センサＡに到達すると、光センサＡの出力波形は、流路２ａ内を移動する液体と気体の光透過率の違いによってＨｉｇｈレベルに変化する。光センサＡ，Ｂの出力特性が、このように設定されている。このように光センサＡの出力波形がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへと立ち上がるとき（第１のタイミングという）が、流路２ａ内を移動する液体と気体の境界が光センサＡを通過しているときに相当する。

液体が光センサＡを通過した後、光センサＢに到達すると、光センサＢの出力波形は上記光透過率の違いによってＨｉｇｈレベルに変化する。このように光センサＢの出力波形がＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルへと立ち上がるとき（第２のタイミングという）が、上記境界が光センサＢを通過しているときに相当する。

また、第１のタイミングから第２のタイミングまでに経過した時間ｔは、光センサＡが上記境界の通過を検出してから光センサＢが上記境界の通過を検出するまでの経過時間ｔに相当する。

次に、本実施形態の液流量計測装置１による流量の算出方法について説明する。液流量計測装置１において、タイマ部が上記経過時間ｔを計測した後、その経過時間ｔが演算部に入力される。演算部は、予め入力された所定の断面積Ｓの値及び所定の距離Ｌの値の積Ｓ×Ｌの値を経過時間ｔで除したときの商を算出する。この商の値が、流路２ａ内を移動する液体の流量とされる。

例えば上記積Ｓ×Ｌの値が１μリットルとなるように、所定の断面積Ｓの値及び所定の距離Ｌの値が設定された場合、上記経過時間が１分であれば、演算部により算出される流量は１μリットル／分となる。同じ設定のもとで、上記経過時間が２分であれば、演算部により算出される流量は０．５μリットル／分となる。

本実施形態の液流量計測装置１によれば、流路２ａ内を移動する気体と液体とでは、光透過率が違うので、光センサＡ，Ｂの検出信号の変化を基に気体と液体の境界を検出することができる。従って、上流側の光センサＡが上記境界の通過を検出してから下流側の光センサＢが上記境界の通過を検出するまでの経過時間ｔに基づいて液体の流量を算出することができる。ここに、この液流量計測装置１は、流量計測のために光センサＡ，Ｂと液体とが直接接触することがなく、液体が雑菌等に感染する虞がない。また、この液流量計測装置１は、流量計測のために液体を加熱する必要もなく、液体として例えば細胞や培養液等が用いられた場合でも、それらにダメージを与えることがないので、医療機器分野や細胞増殖機器分野での使用に適した計測装置が得られる。

また、タイマ部や演算部は、簡単な回路で構成できるので、部品コストを抑えることができる。また、流量計測を必要とする機器に取り付けるコストも抑えることができる。

また、この液流量計測装置１は、例えばチューブポンプのチューブの流体流出口付近やマイクロ流体デバイスのチューブに設けられることにより、チューブポンプやマイクロ流体デバイスにおいて所望の流量が得られているか否かを確認するために用いることができる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る液流量計測装置について、図３（ａ），（ｂ）を参照して説明する。以下の説明においては、上記第１の実施形態と異なる点について説明する。図３（ａ）においては、流路２ａの内部は全て液体で満たされた状態であって、その流路２ａの上流端から下流端へ液体が常時流れている。液流量計測装置１ａは、上記第１の実施形態の構成に加えて、気体と液体の境界を作るために上流側の光センサＡよりも上流側において流路２ａに気泡Ｗを注入する気泡注入部４と、下流側の光センサＢよりも下流側において流路２ａ内に流れる気泡Ｗを流路２ａから回収する気泡回収部５と、を備えている。以下においては、流路２ａ内を流れる気泡Ｗの速さと流路２ａ内を流れる液体の速さは、等しいものと仮定する。

気泡注入部４は、気泡Ｗを発生する気泡発生室４１と、この気泡発生室４１からの気泡Ｗを送るための流路４２ａを構成するチューブ４２と、を有する。チューブ４２は、チューブ２の流路２ａに接続されている。流量計測時に気泡注入部４を動作させることにより、流路２ａ内の液体に気泡Ｗが混合されて気泡Ｗと液体の境界が形成される。この境界は、上記第１の実施形態における流路２ａ内を移動する液体と気体の境界に相当する。気泡Ｗは液体と同じ速さで流路２ａ内を移動するので、気泡Ｗと液体の境界の通過を検出することにより、上記第１の実施形態と同様に、液体の流量を計測することができる。気泡Ｗを気泡注入部４から流路２ａ内へとスムーズに注入させるために、例えば流路４２ａ内を正圧、流路２ａ内を負圧に設定することが好ましい。

気泡回収部５は、気泡Ｗを吸収する気泡吸収室５１と、チューブ２の流路２ａから気泡Ｗを気泡吸収室５１に吸収するための流路５２ａを構成するチューブ５２と、を有する。気泡回収部５は、流量計測のために用いられた気泡Ｗを回収するので、流量計測後も流路２ａ内に気泡Ｗが残って液体にダメージを与えることを防止することができる。気泡Ｗを流路２ａ内から気泡回収部５へとスムーズに回収させるために、例えば流路２ａ内を正圧に、流路５２ａ内を負圧に設定することが好ましい。

気泡注入部４及び気泡回収部５は、液体を通過させることなく気泡Ｗのみを通過させる半透過膜６を介して流路２ａにそれぞれ接続されている。図３（ｂ）に示すように、流路２ａ内を上流側から下流側へ移動する気泡Ｗが半透過膜６を通って気泡回収部５に回収される。

本実施形態の液流量計測装置１ａによれば、半透過膜６により気泡Ｗと液体とを正確に分離することができ、気泡注入部４から流路２ａ及び流路２ａから気泡回収部５に気泡Ｗをスムーズに案内することができる。その結果、光センサＡ，Ｂの検出対象である気泡Ｗと液体の境界を液体の流れに乗せてストレスなく移動させることができ、液体の流量を正確に計測することができる。また、半透過膜６は、体積が小さいので、液流量計測装置１ｂを小型化し易い。また、下流側の光センサＢが気泡Ｗと液体の境界の通過を検出した後に、気泡回収部５を動作させることにより、気泡Ｗの回収時に流路２ａ内の液体が受ける作用を最小限とし、液体の流量が変化することを抑制することができる。

次に、本発明の第３の実施形態に係る液流量計測装置について、図４を参照して説明する。以下の説明においては、上記第１及び第２の実施形態と異なる点について説明する。本実施形態の液流量計測装置１ｂにおいて、気泡注入部４及び気泡回収部５は、開閉バルブ７ａ，７ｂを介して流路２ａにそれぞれ接続されている。開閉バルブ７ａ，７ｂは、開状態のときに気泡Ｗを通過させ、閉状態のときに気泡Ｗを通過させないように構成されている。

本実施形態の液流量計測装置１ｂにおいては、流量計測開始時に気泡注入部４を動作させるとともに開閉バルブ７ａを開状態として、流路２ａ内へ気泡Ｗをスムーズに注入する。また、下流側の光センサＢが気泡Ｗと液体の境界の通過を検出した後に気泡回収部５を動作させるとともに開閉バルブ７ｂを開状態として、流路２ａから気泡Ｗをスムーズに回収する。それにより、気泡Ｗの回収時に流路２ａ内の液体が受ける作用を最小限とし、液体の流量が変化することを抑制することができる。なお、上記では、流量計測開始前においては、開閉バルブ７ａ，７ｂは閉状態としている。

本実施形態の液流量計測装置１ｂによれば、開閉バルブ７ａ，７ｂを用いて気泡Ｗの注入及び回収をコントロールして、気泡Ｗと液体の境界を液体の流れに乗せてストレスなく移動させることができるので、液体の流量を正確に計測することができる。

本発明は、上記実施形態の構成に限られず、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、上記では、非常に微小な流量（μリットル／分単位の値）を計測する場合に好適であることを示したが、そのような流量に限定されることはない。また、上記第２及び第３の実施形態では、気泡注入部４及び気泡回収部５を両方備えた構成を示したが、流路２ａ内を移動する液体が気泡Ｗによりダメージを受けないのであれば、気泡回収部５はなくてもよい。

１，１ａ，１ｂ 液流量計測装置
２ チューブ
２ａ 流路
４ 気泡注入部
５ 気泡回収部
６ 半透過膜
７ａ，７ｂ 開閉バルブ
Ａ，Ｂ 光センサ
Ｓ 所定の断面積
Ｌ 所定の距離

Claims (5)

1. 流路内を流れる液体の流量を計測する液流量計測装置であって、
   流体を流すための所定の断面積を有した流路を成すチューブと、
   前記流路の上流側及び下流側に所定の距離隔てた位置にそれぞれ配置された光センサと、を備え、
   前記光センサの各々は、前記流路に光を照射して該流路を透過した光量が該流路内を移動する気体と液体の光透過率の違いによって変化することに基づいて該流路内を移動する気体と液体の境界を検出し、
   前記上流側の光センサが前記境界の通過を検出してから前記下流側の光センサが前記境界の通過を検出するまでの経過時間に基づいて前記液体の流量を算出することを特徴とする液流量計測装置。
2. 気体と液体の境界を作るために前記上流側の光センサよりも上流側において前記流路に気泡を注入する気泡注入部を備え、流量計測時に前記気泡注入部を動作させることを特徴とする請求項１に記載の液流量計測装置。
3. 前記下流側の光センサよりも下流側において前記流路内に流れる気泡を該流路から回収する気泡回収部をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の液流量計測装置。
4. 前記気泡注入部及び気泡回収部は、前記液体を通過させることなく前記気泡のみを通過させる半透過膜を介して前記流路にそれぞれ接続されていることを特徴とする請求項３に記載の液流量計測装置。
5. 前記気泡注入部及び気泡回収部は、開閉バルブを介して前記流路にそれぞれ接続され、
   前記開閉バルブは、開状態のときに前記気泡を通過させ、閉状態のときに前記気泡を通過させないことを特徴とする請求項３に記載の液流量計測装置。