JP2019128200A - 低温液体の液面検出装置及びその方法、並びに低温液体供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】作業者にとって安全に、自由に液体窒素を持ち運び可能とする。【解決手段】液面検出装置１は、容器１１と、容器１１に供給された液体窒素の表面に単独で浮遊する浮子１２と、浮子１２にレーザーを照射して浮子１２までの距離を非接触で測定する測長センサ１３とを備えている。低温液体供給装置２は、液面検出装置１と、液体窒素を貯蔵している液化ガス容器（ＬＧＣ）２１と、液化ガス容器２１と金属製フレキシブルホースで接続され、液体窒素を容器１１に供給するＬＮ供給ノズル２２と、当該ホースの途中に介在する電磁弁２３と、測長センサ１３から入力される距離に係る信号に基づいて、電磁弁２３の開閉の制御を行うコントローラ２４とを備えている。コントローラ２４は、測長センサ１３から浮子１２までの距離が設定距離に到達したら、電磁弁２３に対して閉の信号を出力する。【選択図】図１

Description

本発明は、低温液体の液面検出装置及びその方法、並びに低温液体供給装置に関する。

特に医薬やバイオテクノロジーの分野においては、血液、精子、受精卵、細胞等の生体試料（以下、単に“試料”と称す）を凍結保存する場合があり、そのときに使用する容器が凍結保存容器である。この凍結保存容器は、典型的なものとして、液体窒素（ＬＮ：Liquid Nitrogen）により、容器内を−１５０℃以下に保持している。

凍結保存容器から目的の試料を取り出す場合には、常温であれば容器近傍であっても、試料が急速に昇温してしまうため、取り出した試料の昇温を抑えるような何らかの方策が必要である。

その方策としては、典型的には断熱性を有する発泡スチロール製の断熱容器に所定量の液体窒素を貯め、それにより取り出した試料の昇温を防ぐというようなことが行われる。このとき従来においては、液化ガス容器（ＬＧＣ：Liquid Gas Container）（ＣＥ：Cold Evaporator）と、供給ノズルと、弁とからなる液体窒素供給装置から、一旦、シーベル（cebell）に充填し、そして作業者が、そのシーベルを持ち上げて断熱容器に取り分けていた。また、このとき断熱容器にレベルセンサを取り付けて、断熱容器に所定量の液体窒素が供給されたことを自動的に検知することも行われていたが、採用されているレベルセンサは、静電容量型レベルセンサや半導体検知式レベルセンサであった。

しかしながら、上述のように作業者が液体窒素を断熱容器に取り分ける作業を行うと、作業者に酸欠、凍傷、怪我等のおそれがある。また、上述のようなレベルセンサは、断熱容器に電気的及び物理的に固定することを前提としており、断熱容器を作業者が最終的に持ち運ぶという形態においては、断熱容器の使用範囲や作業者の行動範囲が制限される。また、かかる固定タイプのレベルセンサでは、構成する複数の素子の取り付け位置やそれらの高さが、計測量で固定的なため、容量の変更等がある場合には、ハードウェア的に改造しなければならず、融通性に欠けていた。

ところで、断熱容器に所定量の液体窒素を供給するのに利用できそうな装置として、特許文献１に開示された液体窒素充填装置がある。この液体窒素充填装置は、液体窒素供給源（１）からの液体窒素を液体窒素貯留タンク（７）に貯め、当該タンク（７）の下部から多数の各缶容器に所定量の液体窒素を注入するというものである。このとき、液体窒素貯留タンク（７）の最下部に取り付けられた円盤状ノズル式注入部（１１）に開けられた孔の径と、液体窒素貯留タンク（７）から円盤状ノズル式注入部（１１）への液体窒素の流路を形成し、その流量を制御可能な精密流量制御部（８）（テーパー付きシリンダー（９）及びプラグ（１０））と、液体窒素貯留タンク（７）内の圧力とにより、缶容器への液体窒素の注入量を正確に制御するというものである。

特開２０１６−１０１９８０号公報

しかしながら、特許文献１に開示された液体窒素充填装置は、少量の液体窒素を一定量かつ複数回繰り返し供給する場合においては優位であるが、僅かな量しか液体窒素を使用しない場合においては、貯留タンク（７）に溜めた大量の液体窒素を無駄にしてしまう。
また、この装置によって液体窒素を得ようとする場合においては、その都度、供給配管や貯留タンク（７）が完全に冷却されるまで液体窒素を得ることができず、時間的な無駄が生じる。
また、上述したように、作業者が液体窒素を断熱容器に取り分けた後、この断熱器を持ち運ぶ場合、断熱器に電気的及び物理的に固定されたレベルセンサでは、断熱器の使用範囲や作業者の行動範囲が制限されてしまうという課題がある。

以上から、液体窒素供給装置とは離脱可能として、自由に安全に液体窒素の持ち運びができる簡易な装置又は方法が期待されている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、作業者にとって安全に、自由に液体窒素を持ち運び可能とするための低温液体の液面検出装置及び方法、並びに低温液体の供給装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を備える。
［１］ 容器に貯められる低温液体の液面を検出する液面検出装置であって、
前記低温液体の表面に浮く浮子と、
前記浮子の鉛直上方に相対的に位置し、前記浮子までの距離を非接触で測定するセンサと、を備える、低温液体の液面検出装置。
［２］ 前記センサは、前記低温液体を貯める際に前記容器が置かれる床面との距離が固定であるように設置されている、［１］に記載の低温液体の液面検出装置。
［３］ 前記センサの下部に取り付けられた略Ｊ字型の部材であって、その跳ね上がり部分に前記浮子が挿通されて前記センサの感知範囲からの離脱を防ぐガイド部材を更に備え、
当該ガイド部材の下部が、前記低温液体内に導入されたとき、前記浮子は、前記ガイド部材の上下動、又は前記液面の上下動に伴って、前記液面に常に浮きつつ、前記跳ね上がり部分に対して相対的に上下動する、［１］に記載の低温液体の液面検出装置。
［４］ 前記センサ及び前記ガイド部材は、一体で自由に持ち運び可能である、［３］に記載の低温液体の液面検出装置。
［５］ 容器に貯められる低温液体の液面を検出する液面検出方法であって、
前記容器に貯められる前記低温液体の表面に浮子を浮かせ、
前記浮子の鉛直上方に、前記浮子までの距離を非接触で測定するセンサを導入する、低温液体の液面検出方法。
［６］ 容器の所定量の低温液体を貯めるための低温液体の供給装置であって、
前項［１］に記載の低温液体の液面検出装置と、
低温液体供給源と、
前記低温液体供給源と管路で接続され、前記低温液体供給源からの前記低温液体を前記容器に注ぐためのノズルと、
前記管路に介在し、入力される信号に基づいて、前記低温液体の前記ノズルへの供給を導通／遮断する弁と、
前記センサから入力される前記距離の情報に基づき、前記弁の導通／遮断を制御する制御部と、を備え、
前記ノズルからの前記低温液体の前記容器への供給開始後、前記制御部は、前記センサから入力される前記距離の情報に基づき、前記センサと前記浮子との距離が設定値に達したら、前記弁に対して、前記遮断の信号を出力する、低温液体供給装置。
［７］ 前記設定値は、前記容器の種類と前記所定量とによって決まる前記液面の高さに少なくとも基づいて決定される、［６］に記載の低温液体供給装置。

本発明の低温液体の液面検出装置及び方法によれば、容器に貯められる低温液体の液面を、容器とは固定されていないセンサにより非接触で検出できる。
このとき、センサの下部に取り付けられた略Ｊ字型の部材であって、その跳ね上がり部分に浮子が挿通されたガイド部材を更に備えれば、センサの感知範囲からの浮子の離脱を防ぐことができる。

本発明の低温液体の供給装置によれば、容器に必要量の低温液体を貯める際に、ノズルから直接容器に注入するようにしているので、エネルギー損失を最小限に抑えることができると共に、作業者の酸欠、凍傷、怪我等のおそれを防止することができる。

また、容器とセンサとは物理的に固定されておらず、また容器は電気的にも制約されていないので、作業者は、低温液体注入後の容器を任意の場所に持ち運ぶことができ、融通性が増す。

また、低温液体の必要量は、センサにより浮子との距離を監視するだけでよく、必要量から換算された距離まで達したら、必要量の液体窒素が供給されたと判断できる。必要量が変わった場合には、それに応じて監視すべき当該距離を変更するだけでよく、センサの付け替え等のハードウェア的な改造を必要としない。

（ａ）は、本発明を適用した一実施形態である液面検出装置と、当該装置を含む実施形態に係る低温液体供給装置の構成を示す図であり、（ｂ）は、低温液体供給装置に含まれるコントローラの処理手順を示すフローチャートである。 本発明を適用した一実施形態である液面検出装置の変形例を説明するための図である。

以下、本発明を適用した一実施形態である液面検出装置の構成について、液面検出装置を用いた液面検出方法、及び液面検出装置を含む低温液体供給装置と併せて、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

先ず、本発明を適用した一実施形態である液面検出装置、及びこれを含む低温液体供給装置の構成の一例について説明する。
ここで、図１（ａ）は、実施形態に係る液面検出装置と、当該装置を含む実施形態に係る低温液体供給装置の構成を示す図であり、同図（ｂ）は、液面検出装置に含まれるコントローラの処理手順を示すフローチャートである。

（液面検出装置）
図１（ａ）に示すように、液面検出装置１は、例えば発泡スチロール材等の断熱性のある素材からなる箱形状（箱型）の容器１１と、容器１１に供給された液体窒素（ＬＮ：Liquid Nitrogen）の表面に単独で浮遊する浮子１２と、浮子１２にレーザーを照射して浮子１２までの距離を非接触で測定する測長センサ１３とを備えている。

なお、容器１１としては、内部に液体窒素を貯められる構造であればいかなる構造であってもよい。ここで容器１１としては、真空二重構造を有する容器やポリスチレン等の発泡剤で構成された容器等の断熱性に優れるものが好ましいが、これに限定されるものではなく、例えば熱伝導の良好な金属製の容器であってもよい。
また、浮子１２としては、例えばポリエチレンやポリプロピレンなどであって、密度が小さくて液体窒素に浮き、また、液体窒素を吸収しない材質のものを採用することができる。
また、測長センサ１３としては、レーザーではなく超音波を照射するものや、静電容量を測定することによって距離を測定できるものであってもよい。

（低温液体供給装置）
図１（ａ）に示すように、低温液体供給装置２は、上述のような構成の液面検出装置１と、液体窒素を貯蔵している液化ガス容器（ＬＧＣ：Liquid Gas Container）２１と、液化ガス容器２１と典型的には金属製フレキシブルホースで接続され、液体窒素を容器１１に対して液滴状で供給するＬＮ供給ノズル２２と、液化ガス容器２１とＬＮ供給ノズル２２を接続する当該ホースの途中に介在する電磁弁２３と、測長センサ１３から入力される距離に係る信号に基づいて、電磁弁２３の開閉（導通／遮断）の制御を行うコントローラ２４と、を備えている。なお、上記フレキシブルホースは極力短くして、その熱容量を最小限に抑えると共に、容器１１への液体窒素供給時間を短くすることが好ましい。

上述した液面検出装置１及び低温液体供給装置２の構成によれば、測長センサ１３を採用することで、液化ガス容器２１からフレキシブルホースを通じて搬送され、ＬＮ供給ノズル２２から容器１１に供給される液体窒素の量を非接触で自動的に制御できる。

このとき、測長センサ１３が監視すべき浮子１２との距離は、以下のような観点で設定できる。つまり、容器１１に貯めるべき液体窒素の量は、容器１１が決まっていれば液面の高さで表すことができる。従って、必要な液体窒素の量から算出される、容器１１の底面から液面の高さをｈ_１、容器１１が載置される床面と、固定的に設置された測長センサ１３のレーザー照射面との距離をｈ_２、浮子１２の厚さをｔ_１、容器１１の底の厚さをｔ_２、とすると、測長センサ１３が監視すべき、浮子１２の表面からの距離ｄは、下記の式（１）に基づき算出して設定できる。
ｄ＝ｈ_２−ｈ_１−ｔ_１−ｔ_２ ・・・（１）

次に、作業者の作業手順を含めた、低温液体供給装置２の動作過程について説明する。
ここで、図１（ｂ）は、コントローラ２４の処理手順を示すフローチャートである。

図１（ｂ）に示すように、先ず、作業者は、測長センサ１３の固定位置との距離がわかっている床面であって、開口に含まれる上方にＬＮ供給ノズル２２及び測長センサ１３が位置するように容器１１を載置する。つまり、ＬＮ供給ノズル２２からの液体窒素が注入可能であって、かつ、測長センサ１３により液体窒素液面が測定可能な位置である。そして、まだ液体窒素が注がれていない容器１１の底面の、測長センサ１３からのレーザーを受けることが可能な位置に浮子１２を置く。なお、容器１１には、あらかじめ液体窒素が貯められていてもよい。

次に、作業者は、電磁弁２３に対して、容器１１に注ぎたい液体窒素の量に応じた液面高さから算出される、測長センサ１３と浮子１２との距離を入力する。なお、上記距離としては、液面高さを入力してもよいし、容器１１が一種類で不変であるならば、液体窒素の量自体を入力してもよい。この場合には、コントローラ２４が、それらを測長センサ１３と浮子１２との距離に換算する。

次に、作業者は、低温液体供給装置２に備わっている、図示しない“開始”ボタンを押す。作業者により“開始”ボタンが押されると、コントローラ２４は、電磁弁２３に対して“開（導通）”の信号を出力する（ステップＳ１）。それにより、電磁弁２３は開き、液化ガス容器２１からの液体窒素が、電磁弁２３を通じてＬＮ供給ノズル２２へ流れ、ＬＮ供給ノズル２２からの容器１１への注入が開始される。

液体窒素の容器１１への注入が開始されると、注入前に容器１１の底に置かれていた浮子１２は、注入された液体窒素の表面に浮遊して上昇する。つまり、液体窒素の注入に伴って、測長センサ１３から浮子１２までの距離は短くなっていく。測長センサ１３はそれを常に監視している（ステップＳ２）。

そして、測長センサ１３が、自身と浮子１２との距離が、上記設定距離（又は液面高さ、液体窒素量）に達した判断すると（ステップＳ２において肯定判定）、電磁弁２３に対して“閉（遮断）”の信号を出力する（ステップＳ３）。これにより、電磁弁２３は閉じ、ＬＮ供給ノズル２２への液体窒素の供給は遮断される。従って、その時点で、容器１１には、必要な量の液体窒素が貯められていることになる。
これにより、作業者は、必要な量の液体窒素が入った容器１１を凍結保存容器の近傍に持っていき、凍結保存容器から取り出した試料の冷却に利用することができる。

＜変形例＞
上述の実施形態においては、浮子１２が、容器１１に注がれた液体窒素の表面を制約なく移動できてしまうため、測長センサ１３からのレーザーの照射から外れてしまうおそれがある。かかるおそれに対して、浮子１２の浮遊位置を所定範囲に制約する制約板などを設けることも考えられる。しかしながら、容器１１に対して更なる部材を取り付けたり加えたりすることは、作業が煩雑であり、液体窒素の量の正確性にも影響を与えるし、容器１１の汎用性を損なうことにもなる。

そこで、前述の実施形態の変形例として、浮子１２が測長センサ１３からのレーザーの照射から外れないようにする方策を考える。図２は、その方策を実現するための構成を示す図である。

図２（ａ）に示すように、本変形例では、測長センサ１３の下部に、略Ｊ字型のガイド部材１４を取り付け、その跳ね上がり部分に浮子１２を挿通させる。浮子１２はその跳ね上がり部分を物理的に制約なく自由に上下できる。但し、跳ね上がり部分の最上部は、浮子１２の抜けを防止するため、屈曲部が設けられている。

なお、以下の説明で分かるように、かかる構成によれば、測長センサ１３は、物理的に固定されている必要はない。言い換えれば、測長センサ１３と、容器１１が載置される床面との距離が一定である必要はない。更に言えば、作業者は、測長センサ１３、ガイド部材１４、及び浮子１２を一式として持ち運べることとなる（但し、無線でない限りは、コントローラ２４との間のケーブル長に制約されることとなる）。

そこで、液体窒素の注入時には、作業者は、図２（ｂ）に示すように、測長センサ１３、ガイド部材１４、及び浮子１２を一式で容器１１内に導入し、ガイド部材１４の最下部の横行部分を容器１１の底に当接させる。この状態で、液体窒素が注入され始めると、浮子１２は、ガイド部材１４の跳ね上がり部分に沿って上昇する。従って、浮子１２が、測長センサ１３のレーザーの照射から外れることはない。

なお、上記のように、ガイド部材１４の最下部の横行部分を容器１１の底に当接させることにより、容器１１に注がれるべき液体窒素の量を判定することができる。すなわち、図２（ａ）に示すように、浮子１２がガイド部材１４の跳ね上がり部分の最下部に位置するとき、測長センサ１３から浮子１２までの距離が例えば３００ｍｍとする。そして、図２（ｂ）に示すように、容器１１に供給されるべき液体窒素の量が容器１１の高さ３０ｍｍに対応しているとすると、コントローラ２４は、測長センサ１３と浮子１２との距離２７０ｍｍを監視していればよいことになる。なお、ここでは、説明の便宜上、浮子１２の厚さと、ガイド部材１４の横行部分の厚さを無視している。

以上説明したように、上述の実施の形態によれば、容器１１に必要量の液体窒素を貯める際に、シーベル等を介して作業者が取り分けるのではなく、ＬＮ供給ノズル２２から直接注入するようにしているので、エネルギー損失を最小限に抑えることができると共に、作業者の酸欠、凍傷、怪我等のおそれを防止することができる。

また、容器１１と測長センサ１３とは物理的に固定されておらず、また容器１１は電気的にも制約されていないので、作業者は、液体窒素注入後の容器１１を任意の場所に持ち運ぶことができ、融通性が増す。

また、液体窒素の必要量は、測長センサ１３により液面（正確には浮子１２の面）との距離を監視するだけでよく、必要量から換算された距離まで達したら、必要量の液体窒素が供給されたと判断できる。必要量が変わった場合には、それに応じて監視すべき当該距離を変更するだけでよく、センサの付け替え等のハードウェア的な改造を必要としない。

また、上述の実施形態においては、低温液体として液体窒素を例に挙げたが、これに限られることはない。このとき、浮子１２としては、選択される低温液体に応じて選択することができる。

本発明の低温液体の液面検出装置及びその方法、並びに低温液体供給装置は、凍結保存容器から取り出した試料が温まるのを防止する際に採用することができ、例えば、バイオメディカル基礎研究、医療、製薬、畜産（精子、受精卵保存）などの生体試料凍結保存分野に採用することができる。

１・・・液面検出装置、１１・・・容器、１２・・・浮子、１３・・・測長センサ、１４・・・ガイド部材、２・・・低温液体供給装置、２１・・・液化ガス容器、２２・・・ＬＮ供給ノズル、２３・・・電磁弁、２４・・・コントローラ

Claims (7)

1. 容器に貯められる低温液体の液面を検出する液面検出装置であって、
   前記低温液体の表面に浮く浮子と、
   前記浮子の鉛直上方に相対的に位置し、前記浮子までの距離を非接触で測定するセンサと、を備える、低温液体の液面検出装置。
2. 前記センサは、前記低温液体を貯める際に前記容器が置かれる床面との距離が固定であるように設置されている、請求項１に記載の低温液体の液面検出装置。
3. 前記センサの下部に取り付けられた略Ｊ字型の部材であって、その跳ね上がり部分に前記浮子が挿通されて前記センサの感知範囲からの離脱を防ぐガイド部材を更に備え、
   当該ガイド部材の下部が、前記低温液体内に導入されたとき、前記浮子は、前記ガイド部材の上下動、又は前記液面の上下動に伴って、前記液面に常に浮きつつ、前記跳ね上がり部分に対して相対的に上下動する、請求項１に記載の低温液体の液面検出装置。
4. 前記センサ及び前記ガイド部材は、一体で自由に持ち運び可能である、請求項３に記載の低温液体の液面検出装置。
5. 容器に貯められる低温液体の液面を検出する液面検出方法であって、
   前記容器に貯められる前記低温液体の表面に浮子を浮かせ、
   前記浮子の鉛直上方に、前記浮子までの距離を非接触で測定するセンサを導入する、低温液体の液面検出方法。
6. 容器の所定量の低温液体を貯めるための低温液体の供給装置であって、
   請求項１に記載の低温液体の液面検出装置と、
   低温液体供給源と、
   前記低温液体供給源と管路で接続され、前記低温液体供給源からの前記低温液体を前記容器に注ぐためのノズルと、
   前記管路に介在し、入力される信号に基づいて、前記低温液体の前記ノズルへの供給を導通／遮断する弁と、
   前記センサから入力される前記距離の情報に基づき、前記弁の導通／遮断を制御する制御部と、を備え、
   前記ノズルからの前記低温液体の前記容器への供給開始後、前記制御部は、前記センサから入力される前記距離の情報に基づき、前記センサと前記浮子との距離が設定値に達したら、前記弁に対して、前記遮断の信号を出力する、低温液体供給装置。
7. 前記設定値は、前記容器の種類と前記所定量とによって決まる前記液面の高さに少なくとも基づいて決定される、請求項６に記載の低温液体供給装置。

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