JP4949418B2 - エジェクター装置 - Google Patents

Description

本発明は、細胞や菌類などの試料を凍結保存する凍結保存容器などの容器内に貯留されている液化窒素などの液化ガスを排出するために用いられるエジェクター装置に関するものである。

凍結保存容器にあっては、細菌類などの試料を収容した多数のアンプルが収納ラックに収納され、この収納ラックなどを出し入れできるように、密閉構造の圧力容器ではなく、蓋付きの開放構造になっている。
この蓋を開き、収納ラックを出し入れする時に空気中の水分が凍結保存容器内に混入し、氷となってこの容器の底に堆積する。氷が少量であれば問題は無いが多量になるとさまざまな弊害が起こる。
このため、凍結保存容器は氷を除去するため、定期的に容器内の液化窒素を汲み出す必要がある。

従来、凍結保存容器に貯留されている−１９６℃の液化窒素を汲み出すには極低温用の手袋を付けビーカーや柄杓を用いている。液化窒素用の手袋はとても厚くできているためビーカーや柄杓を安定してにぎることが困難である。このため液化窒素を床にこぼし、床材が凍結して破損したり、こぼれた液化窒素がガス化し室内に充満して酸欠の危険があった。

また、液化窒素汲み出し作業中の凍結保存容器内部は、周囲の空気中の水分が霧状になって満たされているため液化窒素の液面位置が目視確認できず、凍傷の危険もあった。
最も危険なことは、この汲み出し作業では凍結保存容器の開口部に身を乗り出す姿勢になってしまうことにある。この姿勢は酸欠の危険度が大変高く、酸欠が原因で腰砕けとなり凍結保存容器内部に転落する恐れもある。

特開２００４−７６８２５号公報 特開２００６−３１３００４号公報

本発明は、上記のような凍結保存容器などの容器内の液化窒素などの液化ガスを別の容器に移し替える際の危険作業を解消するためなされたもので、容器に貯留されている液化ガスを安全にしかも効率よく排出できることを目的としている。

かかる課題を解決するため、
請求項１にかかる発明は、上部が開放された容器内の液化ガス中に、使用する際に浸漬され、エジェクター作用により液化ガスを汲み上げる着脱式のエジェクター装置であって、
液化ガス中にほぼ直立状態で浸漬される直管状の液化ガス導出管と、この液化ガス導出管の下端に取り付けられて液化ガスを吸い上げるエジェクター部と、前記液化ガス導出管の上部に接続され常時閉とされる液化ガス噴き上げ防止バルブと、前記エジェクター部に駆動ガスを供給する駆動ガス供給管と、この駆動ガス供給管に逆止弁を介して接続された駆動ガス供給源としてのガスシリンダーと、前記駆動ガス供給管から分岐されて駆動ガスを送る管が接続されたエアーシリンダーを有し、前記駆動ガスの供給時に前記エアーシリンダーを動作させ、前記液化ガス噴き上げ防止バルブを開とするバルブ開閉部と、を備えたことを特徴とするエジェクター装置である。

請求項２にかかる発明は、前記逆止弁と前記ガスシリンダーとを接続する管にフットバルブが配され、このフットバルブを操作して前記駆動ガスを前記エジェクター部及び前記エアーシリンダーに供給することを特徴とする請求項１記載のエジェクター装置である。

請求項３にかかる発明は、前記エジェクター部が、前記液化ガス導出管の下端に取り付けられたドーム状のキャップと、このキャップと前記液化ガス導出管との内部に挿入され、液化ガス導入孔と駆動ガス導入口が形成された略筒状のエジェクター本体と、このエジェクター本体の前記駆動ガス導入口に接続されて駆動ガスを前記液化ガス導出管に向けて噴出するノズルと、このノズルに接続されて前記駆動ガス供給管からの駆動ガスをノズルに送るコネクターとから構成されていることを特徴とする請求項１記載のエジェクター装置である。

請求項４にかかる発明は、前記エジェクター部には、さらにそのキャップの下端に下方に伸びる複数の脚状のベースが取り付けられ、このベースが容器底部に接するようになっていることを特徴とする請求項３記載のエジェクター装置である。

本発明によれば、凍結保存容器などの容器内の液化窒素などの液化ガスを別の容器に移し替える際の危険作業が解消され、容器に貯留されている液化ガスを安全にしかも効率よく排出できる。

本発明のエジェクター装置の一例を示す概略構成図である。 本発明におけるエジェクター部を詳細に示す一部断面視した構成図である。 本発明におけるバルブ開閉部を示す構成図である。 本発明において使用される支持架台を示す斜視図である。

図１は、本発明のエジェクター装置の一例を示すもので、この例では凍結保存容器内の液化窒素を汲み出す状態となっているものについて説明する。
図１において、符号１は凍結保存容器を示す。この凍結保存容器１は、真空断熱された容器で、その内部には温度−１９６℃の液化窒素３が貯留され、容器１内部が低温に保たれている。
貯蔵されている液化窒素量は、容器１の大きさと保存方法とで異なるが約５０リッターから４００リッターである。細胞や菌類などの試料は、図示していない収納ラックに収納されてから、凍結保存容器１に入れられ凍結保存される。

駆動ガス源としての窒素ガスシリンダー４からの駆動ガスの窒素ガスが減圧弁５を介して管６を通り、フットバルブ７に送られ、さらに管８から接続継手９を通り、駆動ガス導入管１１に送られる。
駆動ガス導入管１１に導入された駆動ガスは二分され、その一部は逆止弁１０を経てエジェクター部１４に送られる。残部の駆動ガスはエアーシリンダー１９に送られ、このエアーシリンダー１９の動作に用いられる。

エジェクター部１４は液化ガス導出管１５の下端に連結されている。液化ガス導出管１５は、直管からなり、凍結保存容器１内の液化窒素中にほぼ直立状態で設けられるもので、その内部にエジェクター部１４から吸い上げられた液化窒素が流れるようになっている。

エジェクター部１４は、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、前記液化ガス導出管１５の下端に取り付けられたドーム状のキャップ１３と、このキャップ１３と前記液化ガス導出管１５下端部との内部に挿入され、複数の液化ガス導入孔３４、３４・・と駆動ガス導入口３５が形成された略筒状のエジェクター本体２４と、このエジェクター本体２４の前記駆動ガス導入口３５に接続されて駆動ガスを前記液化ガス導出管１５に向けて噴出するノズル２３と、このノズル２３に接続されて前記駆動ガス供給管１１からの駆動ガスをノズルに送るコネクター３６とから構成されている。
ノズル２３は、エジェクター作用を左右するものであり、液化窒素の吸い上げ高さが高くなる形状のものを用いることが好ましい。

この構成により、駆動ガス導入管１１からの駆動ガスをノズル２３から液化ガス導出管１５に向けて高速で噴出することにより、エジェクター作用により液化窒素が前記液化ガス導入孔３４、３４・・に吸い込まれて流入し、駆動ガスの流れに乗って上方に流れることになる。
さらにそのキャップ１３の下端には、その下方に伸びる複数の脚状のベース１２、１２・・が取り付けられ、このベース１２、１２・・が凍結保存容器１の底部に接するようになっている。このベース１２は、真空断熱構造の凍結保存容器１の内部底面を損傷させないようにアルミニウム材で作られている。また、キャップ１３の効果で液化窒素３の残量を最少にすることができる。

図３に示すように、前記液化ガス導出管１５の上端には、液化ガス噴き上げ防止バルブ１６が接続され、この液化ガス噴き上げ防止バルブ１６には接続継手１８を介して液化ガス流出管２１が接続されている。
この液化ガス流出管２１のうち、接続継手１８側に位置する基端部分はステンレス管２１ａとこれを断熱被覆する断熱材２０とで構成されている。また、先端部分はフレキシブルホース２２から構成され、接続継手１８を介して基端部分に接続されている。
フレキシブルホース２２は、汲み上げられた液化窒素を真空断熱容器２に移送しやすくするためのもので、可撓性を持たすことで、作業性を良くしている。

前記液化ガス噴き上げ防止バルブ１６には、圧力損失の小さいステンレス製のボール弁などが用いられる。ボール弁を用いる場合、ボール弁本体とボールシートとボールとで形成される空間が密封状態になり、液化ガスに用いる場合は液封防止対策を講じなくてはならない。 この液封防止対策として、液化ガスが流通する中心軸で、ボールが閉状態での上流側ボール表面からボールの通気穴まで直径２ｍｍ程度の穴を開ける構造となっている。

前記液化ガス噴き上げ防止バルブ１６のバルブハンドル２５は、連結ロッド２６を介してエアーシリンダー１９のピストンロッド１９ａの先端部にリンク結合されており、エアーシリンダー１９のピストンロッド１９ａの前進、後退動作によって、バルブハンドル２５が回動し、液化ガス噴き上げ防止バルブ１６が開閉されるようになっている。また、前記連結ロッド２６は、前記液化ガス噴き上げ防止バルブ１６からバルブハンドル２５を介して伝わってくる冷熱が前記ピストンロッド１９ａに伝わることを防止し、その凍結を防ぐ機能をも持つものである。

前記エアーシリンダー１９は、保護カバー１７に取り付けられており、この例ではスプリングを内蔵している単動型が用いられ、エアーーシリンダー１９に駆動ガス導入管１１からの駆動ガスを供給した際にピストンロッド１９ａが前進し、前記液化ガス噴き上げ防止バルブ１６が開き、駆動ガスが抜けた時はピストンロッド１９ａが後退し、バルブ１６が閉じるようになっている。これ以外に複動型のエアーシリンダーであってもよい。

前記保護カバー１７は、直方体状のフレームに金網２７を張ったもので、その内部には前記ピストンロッド１９ａ、連結ロッド２６、液化ガス噴き上げ防止バルブ１６および液化ガス導出管１５の一部が納められており、これによりバルブ開閉部２８が構成されている。
保護カバー１７の内部は、金網２７を介して視認でき、液化ガス噴き上げ防止バルブ１６の動作状態を簡単に確認でき、通風性が保たれるので、内部に納められた部材に着氷することも防止でき、指が挟まれるなどの事故を防ぐこともできる。

このようなエジェクター装置は、使用状態では図１に示す形態に組み立てられて使用されるが、非使用時には、接続継手９、１８を切り離して、分解することができ、この状態で運搬できる。
また、図１に示した状態では、液化ガス導出管１５をほぼ直立状態に保つ必要がある。このため、実際には図４に示す支持架台を用いることになる。

この支持架台では、２本の互いに直交するように蝶ネジ３０で結合された伸縮自在なレール２９、２９を凍結保存容器１の上部開口部に乗せ、ストッパー３１が開口部の外縁部に当るまでレール２９、２９を縮め、蝶ネジ３０、３０を締付けて固定する。
サポート３３には、図１での液化ガス流出管２１の基端側部分が支持される。サポート３３も伸縮自在な構造で、凍結保存容器１の大きさに応じて高さを調整し、蝶ネジ３０で固定する。
支持架台の組立ては、液化窒素３が貯留されている凍結保存容器１の上部開口部でなされるため工具や部品を落としてしまわない構造が必要である。この理由から、工具を必要としない蝶ネジを採用し、使用箇所に応じ、オスネジ側の頭を潰して外れない処置と、ワイヤ３２をつなぎ落下しない処置を施してある。

次に、このエジェクター装置の使用方法を説明する。
最初に、図４に示した支持架台を凍結保存容器１の口部に取り付ける。そして、エジェクター装置を図１に示すような使用形態に組み立て、その駆動ガス導入管１１と液化ガス導出管１５を凍結保存容器１内の液化窒素３中に浸す。
次いで、フットバルブ７を踏み下げて開とし、駆動ガスを管８、接続継手９を経て駆動ガス導入管１１に送り込む。これにより、エジェクター部１４から液化窒素が吸い上げられると同時にエアーーシリンダー１９が動作して液化ガス噴き上げ防止バルブ１６が開となって、液化窒素が液化ガス導出管１５、液化ガス噴き上げ防止バルブ１６、液化ガス送出管２１、フレキシブルホース２２を通って真空断熱容器２に移送される。フットバルブ７の踏み下げを停止して閉とすれば、駆動ガスの送給が停止し、液化ガス噴き上げ防止バルブ１６が閉じられ液化窒素の移送が停止される。

このようなエジェクター装置によれば、凍結保存容器１内の液化窒素２を安全に、効率よく、真空断熱容器２に移し替えることができ、電力を要しない。また、後述する「噴き上げ現象」を防止できる。
凍結保存容器１に貯留されている液化窒素３を取り扱う際は、液化窒素に「噴き上げ現象」があることを認識しておかないと凍傷事故を起こす恐れがある。
「噴き上げ現象」とは、凍結保存容器１などに貯留されている液化窒素中に、常温で中空な管の下側先端部を鉛直方向に浸漬すると、管上側先端部から気化した窒素と共に液状の窒素が吹き上がってくる現象で、液化窒素に浸漬された部分が液化窒素と同じ温度まで冷却されるとこの「噴き上げ現象」は終了する。

上部が開放された凍結保存容器に貯留されている液化窒素をエジェクター方式で汲み出そうとする場合、この「噴き上げ現象」に対する安全対策が必須となる。
本発明では、駆動窒素ガス流入ラインの駆動ガス導入管１１には逆止弁１０、液化窒素流出ラインの液化窒素導出管１５には常時閉とされる液化ガス噴き上げ防止バルブ１６を取り付けている。この安全対策により、常温のエジェクター部１４を液化窒素中に浸漬しても逆止弁１０と自動開閉弁２８とで閉鎖しているため「噴き上げ現象」は起こらない。

「噴き上げ現象」は、エジェクター装置を液化窒素に浸漬した瞬間に発生するため、仮に、逆止弁１０とバルブ１６とが外されていれば、駆動ガス導入管１１と液化ガス導出管１５とから液化窒素が噴出し、酸欠や凍傷の大事故になる恐れがある。
このため、前記危険性に対する確実な安全策は、逆止弁１０、駆動ガス導入管１１、エジェクター部１４、液化窒素導出管１５、および自動開閉弁２８が容易に分解することが出来ない一体構造となっていることが必要である。

以下、具体例を説明する。
液化窒素を貯留した内容積１００リッターの凍結保存容器１をはかりに乗せ重量を計測することにより排出される液化窒素量を検出する。
窒素ガスシリンダー４は内容積４７リッターで圧力１５ＭＰａの窒素ガスが充填され、この窒素ガスは、減圧弁５で０．９ＭＰａに減圧される。この減圧弁５の一次側圧力を記録することにより駆動ガスとしての必要窒素ガス量も計測できる。

まず、接続継手９と第一の接続継手１８が連結されていないエジェクター部１４を中心とする部分を液化窒素に浸漬した。この時、懸念される「噴き上げ現象」の発生が無いことが確認できた。
ついで、図１の通り本装置を組み上げ、最後にはかりの目盛をゼロに設定し試験準備が完了する。
操作はフットバルブ７を片足で踏むだけよく、凍結保存容器１に近づく必要も無いため大変安全である。
また、エアーシリンダー１９を複動型に交換し同様の検査をしたが、駆動用の窒素ガス圧力が少しでもあれば単動型と同じ安全性が確認できた。

試験の結果、凍結保存容器１内の液化窒素４０リッター（３２．３ｋｇ）を所要時間２５８秒で移し替えることができた。この際、移送のための窒素ガス消費量は圧力３２ＭＰａ相当で１．５Ｓｍ^３であった。
このデータを換算すると液化窒素の導出能力は９．３リッター／分、窒素ガス消費量は０．０３７５Ｓｍ^３（窒素ガス）／リッター（液化窒素）となる。
また、窒素ガスシリンダー１本で液化窒素を１８０リッター導出でき、その所要時間は約２０分間である。

凍結保存容器に貯留されている液化窒素量に応じて窒素ガスシリンダーを必要本数の準備しておけばよいことで、本装置は実用上充分に有効であることが確認できた。
また、本装置は液化窒素以外の液化アルゴンや液化酸素にも適用できるし、電力が無いところでも支障なく使用することができる。

１・・凍結保存容器、２・・真空断熱容器、３・・液化窒素、４・・窒素ガスシリンダー、５・・減圧弁、６、８・・管、７・・フットバルブ、９、１８・・接続継手、１０・・逆止弁、１１・・駆動ガス導入管、１２・・ベース、１３・・キャップ、１４・・エジェクター部、１５・・液化ガス導出管、１６・・液化ガス噴き上げ防止バルブ、１７・・保護カバー、１９・・エアーシリンダー、１９ａ・・ピストンロッド、２０・・断熱材、２１・・液化ガス流出管、２１ａ・・ステンレス管、２２・・フレキシブルホース、 ２３・・ノズル、 ２４・・エジェクター本体、２５・・バルブハンドル、２６・・連結ロッド、２７・・金網、２８・・バルブ開閉部、２９・・レール、３０・・蝶ネジ、３１・・ストッパー、３２・・ワイヤ、３３・・サポート、３４・・液化ガス導入孔、３５・・駆動ガス導入口、３６・・コネクター

Claims (4)

1. 上部が開放された容器内の液化ガス中に、使用する際に浸漬され、エジェクター作用により液化ガスを汲み上げる着脱式のエジェクター装置であって、
   液化ガス中にほぼ直立状態で浸漬される直管状の液化ガス導出管と、この液化ガス導出管の下端に取り付けられて液化ガスを吸い上げるエジェクター部と、前記液化ガス導出管の上部に接続され常時閉とされる液化ガス噴き上げ防止バルブと、前記エジェクター部に駆動ガスを供給する駆動ガス供給管と、この駆動ガス供給管に逆止弁を介して接続された駆動ガス供給源としてのガスシリンダーと、前記駆動ガス供給管から分岐されて駆動ガスを送る管が接続されたエアーシリンダーを有し、前記駆動ガスの供給時に前記エアーシリンダーを動作させ、前記液化ガス噴き上げ防止バルブを開とするバルブ開閉部と、を備えたことを特徴とするエジェクター装置。
2. 前記逆止弁と前記ガスシリンダーとを接続する管にフットバルブが配され、このフットバルブを操作して前記駆動ガスを前記エジェクター部及び前記エアーシリンダーに供給することを特徴とする請求項１記載のエジェクター装置。
3. 前記エジェクター部が、前記液化ガス導出管の下端に取り付けられたドーム状のキャップと、このキャップと前記液化ガス導出管との内部に挿入され、液化ガス導入孔と駆動ガス導入口が形成された略筒状のエジェクター本体と、このエジェクター本体の前記駆動ガス導入口に接続されて駆動ガスを前記液化ガス導出管に向けて噴出するノズルと、このノズルに接続されて前記駆動ガス供給管からの駆動ガスをノズルに送るコネクターとから構成されていることを特徴とする請求項１記載のエジェクター装置。
4. 前記エジェクター部には、さらにそのキャップの下端に下方に伸びる複数の脚状のベースが取り付けられ、このベースが容器底部に接するようになっていることを特徴とする請求項３記載のエジェクター装置。

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