JP6286769B2

JP6286769B2 - 液体供給装置

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Publication number: JP6286769B2
Application number: JP2013230617A
Authority: JP
Inventors: 周太郎石川
Original assignee: Able Corp
Current assignee: Able Corp
Priority date: 2013-10-21
Filing date: 2013-10-21
Publication date: 2018-03-07
Anticipated expiration: 2033-10-21
Also published as: JP2015080473A

Description

本発明は、液体供給装置、詳しくは、液体、例えば、培地、薬液、栄養液、水等の所要量を、例えば、培養系、化学反応系、人体等に一時的、連続的あるいは断続的に供給する装置に関する。

従来、液体供給装置として、シリンジポンプが多用されており、特に、シリンジポンプは、ＩＣＵ（集中治療室）等での栄養補給や輸血、化学療法剤などの薬液注入に用いられている（例えば、特許文献１参照）。
一般的なシリンジポンプは、シリンジと、シリンジの押子をピストン運動させるためのスライダーと、スライダーを駆動させるモーター等を基本構成としている。
また、他の液体供給装置として、電子天秤とペリスタポンプ（モーターを使用）との組み合わせによるもの、すなわち、液体を送った供給先の重量増の計測値でポンプを制御するものも用いられている。

特開２００４−２４８８４号公報

しかしながら、上記した前者のシリンジポンプは、装置として、寸法が、例えば３０（Ｗ）×２０（Ｄ）×１５（Ｈ）ｃｍ等と嵩張り、また、重量が、例えば、４ｋｇ等とかなり重く、更には、構造も複雑である等の問題点があり、その利便性において必ずしも満足すべきものではない。
また、後者の電子天秤とペリスタポンプとの組み合わせによるものでは、広い設置場所を必要とする等の難点がある。

本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、小型、軽量、かつ、構造が簡単、省スペースで、利便性にも優れ、そして、所要量の液体を精度よく供給し得る液体供給装置を提供すること、更には、該液体供給装置が培養装置の培養槽に連結して備えられた培養装置を提供することにある。

本発明者は、上記目的を達成すべく種々検討して結果、ピストンが内部に装入されたシリンダーを用い、その内部に注入された液体を、加圧気体の気体圧でピストンを押進させて送出すること、及びその際の液体の送出量（供給量）の算出基礎となるピストンの移動距離（平行移動距離）を変位センサで計測すること等により、従来のごとくモーターを用いることもなく、目的とする液体供給装置を提供することができること等の新知見を得た。

本発明は、これに限定されるものではないが、以下の発明を包含する。
（１）両端部封止のシリンダーがその内部に装入されたピストンにより液体収容部と加圧気体導入部とに２分画されていて、当該液体収容部の液体を当該加圧気体導入部の気体圧で押進するピストンにより送出して供給する液体供給装置であって、
前記液体収容部には、液体供給源に連通する液体注入管及び供給先に連通する液体送出管がそれぞれ開閉弁を介して連結され、
前記加圧気体導入部には、加圧気体源に連通する加圧気体導入管が開閉弁を介して連結され、
更に、前記気体圧により前記ピストンが前記液体収容部側方向に平行移動する距離を前記加圧気体導入部側から計測する変位センサ、及び前記変位センサで計測された前記ピストンの平行移動距離と前記シリンダーの内径とから送出量が求められる液体を前記供給先に所要量で供給することを制御する制御手段が備えられた、前記装置。
（２）前記気体圧が空気圧である、（１）に記載の装置。
（３）前記変位センサが接触式変位センサ又は非接触式変位センサである、（１）又は（２）に記載の装置。
（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の液体供給装置が培養装置の培養槽に連結して備えられた、前記培養装置。

本発明によれば、ピストンが内部に装入されたシリンダーを用い、その内部に注入された液体を、加圧気体の気体圧でピストンを押進させて送出すること、及びその際の液体の送出量（供給量）の算出基礎となるピストンの移動距離（平行移動距離）を変位センサで計測すること等としたため、小型、軽量、かつ、構造が簡単、省スペースで、利便性にも優れ、そして、所要量の液体を精度よく供給し得る液体供給装置、更には、該液体供給装置が培養装置の培養槽に連結して備えられた培養装置を提供することができる。

は、本発明の液体供給装置の一実施形態を示す説明用概略図である。は、本発明の液体供給装置の他の実施形態を示す説明用概略図である。は、本発明方法と従来方法とによる液体供給量の重量比較を示すグラフである。

以下、本発明の液体供給装置について図面を参照しつつ詳細に説明する。

本発明の液体供給装置は、液体、例えば、培地、薬液、栄養液、水等の所要量を、例えば、培養系、化学反応系、人体等に一時的、連続的又は断続的に供給する装置として使用される。

本発明の最も特徴とするところは、シリンダー内の液体収容部の液体をピストンの押進、移動で送出するに際し、該ピストンを加圧気体の気体圧で押進させること、及び送出量（供給量）を求めるために押進によるピストンの平行移動距離を変位センサで計測することにある。
このようにすることによって、ピストンの押進をモーターによることなく、そして、所要量の液体を精度よく供給先に供給することができる。

図１は、本発明の液体供給装置の一実施形態を示す説明用概略図であり、その主要部の両端部封止のシリンダー、その内部に装入されたピストン、変位センサ等については、概略断面図として示す。
同図の本発明の液体供給装置１において、シリンダー（円筒）２は、その両端部２ａ、２ｂが液密的及び気密的に封止されており、そして、その内部に装入されているピストン３により、液体収容部４と加圧気体導入部５とに２分画されている。
また、ピストン３の外周面とそれに相対するシリンダー２の内周面との間は、液密性及び気密性が確保されている。

更に、液体収容部４には、液体供給源ＬＳに連通する液体注入管６及び供給先９に連通する液体送出管７がそれぞれ開閉弁６ｖ、７ｖを介して連結されている。液体注入管６及び液体送出管７のシリンダー２への連通、取付けは、その側面、端部２ａ等の適宜の位置とすればよい。
一方、加圧気体導入部５には、加圧気体源ＧＳに連通する加圧気体導入管８が開閉弁８ｖを介して連結されている。加圧気体導入管８のシリンダーへの連通、取付けは、その側面、端部２ｂ等の適宜の位置とすればよい。
なお、ピストン３は、その上表面がシリンダー２の内面（内壁）に対して垂直に平行移動するように、ピストン３の外周面（外周壁）に一定の厚さ（幅）を持たせるようにするのが好ましい。

また、ピストン３は、加圧気体導入部５に導入された加圧気体の気体圧により液体収容部４側方向に押進され、液体を送出して供給先９（例えば、培養槽、分注容器等）に供給するが、このときのピストン３のシリンダー２内の平行移動距離を加圧気体導入部５側から計測するために変位センサが用いられる。
本実施形態においては、変位センサの一例である接触式変位センサ１０（以下単に「変位センサ１０」ということもある。）の検知部（「接触子」ともいう。）１０ａが、加圧気体導入部５側に配置されていて、ピストン３の平行移動距離が加圧気体導入部５側から計測される。
なお、本発明において、ピストン３の平行移動距離を加圧気体導入部５側から計測するとは、ピストン３の加圧気体導入部５側の表面に検知部を当接させたり、後記するレーザー光を照射（投光）する等して、その平行移動距離を計測することを意味し、変位センサの構成部の一部又は全部が加圧気体導入部５の内部又はその外側のいずれであってもよい。

接触式変位センサ１０としては、差動トランス式変位センサであって、例えば、後記する公知の、高精度接触式デジタルセンサＧＴ２シリーズ（株式会社キーエンス製）等が用いられる。
また、変位センサ１０は、その下部１０ｂ等が加圧気体導入部５側のシリンダー２の端部２ｂに気密的に着脱自在等で固定されていると共に、その先端の検知部１０ａが加圧気体導入部５側のピストン３の表面に対して垂直に当接するように位置している。
なお、ピストン３の平行移動距離とは、ピストン３の液体収容部４側の表面（上表面）の平行に移動する距離をいうが、その計測は、ピストン３の加圧気体導入部５側の表面（下表面）の移動距離で行なわれる。

供給先９への所要量の液体の供給制御（送出量制御）は、例えば、プログラマブルコントローラー等の公知の制御手段１１により行うことができる。すなわち、液体収容部４から供給先９への所要量の液体の供給の制御は、送出量（供給量）が、上記のごとく、シリンダー２内のピストン３の平行移動距離とシリンダー２の内径とから求められる（算出される）ことから、加圧気体導入部５の気体圧によるピストン３の平行移動距離（押進距離）の制御を主とするものとなるが、具体的には、例えば、ピストン３の押進の制御（加圧気体源ＧＳ、開閉弁８ｖ（同図においては、加圧気体の放出を考慮して三方弁を例示）、変位センサ１０等の制御）、液体の液体収容部４への注入の制御（液体供給源ＬＳ、開閉弁６ｖ、開閉弁２ｖ等の制御）及び供給先９への送出、供給の制御（開閉弁７ｖ等の制御）等が制御手段１１により行われる。

本発明の液体供給装置１を用いる液体の供給先９への送出、供給は、例えば、次のようにして行われる。
液体供給源ＬＳからの液体は、シリンダー２内の適宜の位置にピストン３が定置されている液体収容部４に、液体注入管６及び開閉弁６ｖ（開）を介してポンプ等の注入手段（不図示）により注入され、この注入の間に開閉弁２ｖにより十分な抜気が行われる。次いで開閉弁６ｖ及び２ｖが閉とされ、続いて開閉弁７ｖが開とされた後、加圧気体が加圧気体源ＧＳから加圧気体導入管８及び開閉弁８ｖ（開）を介して加圧気体導入部５にコンプレッサやガスポンベ等の加圧気体導入手段（不図示）により導入され、そして、その気体圧で供給する所要量に相当する平行移動距離となるようにピストン３が液体収容部４側方向に適宜の速度で押進され、これにより、所要量の液体が開閉弁７ｖ（開）及び液体送出管７を介して供給先９に送出して供給されることになる。

液体の供給先９への供給方法は、例えば、一時的、継続的あるいは断続的供給、所望の速度での供給等、適宜の方法が採用される。
なお、液体の供給を終了し、ピストン３を加圧気体導入部５側に押進して戻すには、例えば、開閉弁２ｖ、７ｖを閉、開閉弁（三方弁）８ｖの加圧気体源ＧＳ側を閉、大気側を開（放出）とした後、開閉弁６ｖを開として液体供給源ＬＳの液体を加圧注入等すればよい。

本発明の液体供給装置１において、シリンダー２の封止された両端部２ａ、２ｂの少なくとも加圧気体導入部５側の端部２ｂは、変位センサ１０の取り付け、取り外し等の観点から気密的に着脱自在にするのが好ましい。本実施形態では、シリンダー２の端部２ｂは断面凹形状の封止部材からなり、これにシリンダー２の下部近傍部の外周面がＯリング等の環状シール部材２ｃを介して着脱自在に嵌合されている。この嵌合に代えて、シリンダー２の下部にフランジを取り付け、これに封止板を気密的に螺子止めして端部２ｂとすることもできる。
また、液体供給源ＬＳに連通する液体注入管６に介在する開閉弁６ｖ及び供給先９に連通する液体送出管７に介在する開閉弁７ｖの代わりに三方弁を用い、例えば、第１方向を液体注入管６に連結し、第２方向を液体供給管７に連通し、第３方向を液体注入管６の一部及び液体供給管７の一部を兼用する兼用管に連通して液体収容部４に連結するようにしてもよい。

シリンダー２の配置については、縦方向、横方向等のいずれでもよく、更に、縦方向の場合には、液体収容部４を加圧気体導入部５の上又は下のいずれにしてもよい。
シリンダー２、ピストン３等の材料については、特に制限はされないが、例えば、ガラス、ステンレス鋼、プラスチック等が用いられ、中でも、例えば、プラスチック等が好ましい。また、特に透明なものが好適である。
シリンダー２の大きさについては、特に制限されないが、例えば、内径が１０〜１００ｍｍ、長さが４０〜２００ｍｍ等が挙げられる。
なお、ピストン３の外周面とシリンダー２の内周面とは、上記のごとく、液密性及び気密性を確保することが必要であることから、適宜の環状シール部材３ａ（例えば、単数または複数のＯリング等）等がピストン３の外周面に装着される。
また、シリンダー２とピストン３とは、使い捨てとすることができるが、これらを、上記のごとく、プラスチック製にすれば、使い捨てとして好都合である。

用いられる加圧気体源ＧＳの加圧気体としては、特に制限されないが、例えば、コンプレッサからの、あるいはガスボンベ等の空気、窒素ガス等を挙げることができ、空気が好適である。
その圧力についても特に限定されないが、例えば、５０〜１００ｋＰａ等である。

シリンダー２内のピストン３の平行移動距離（押進距離）を測定する変位センサ（「変位計」ともいう。）としては、公知の変位センサが好適に用いられる。
変位センサには、接触式変位センサ、非接触式変位センサ等が挙げられ、また、前者には、差動トランス式、後者には、渦電流式、超音波式、光学式、静電容量式の変位センサ等が挙げられ、そして、これらは特に制限されることなく使用される。変位センサの採用に際しては、加圧気体導入部５の大きさ、ピストン３の平行移動距離等が勘案されるが、例えば、差動トランス式変位センサ（例示：高精度接触式デジタルセンサＧＴ２シリーズ（株式会社キーエンス製））、光学式変位センサ（例示：レーザー判別変位センサＩＬ−ＳシリーズＣＭＯＳ（ＩＬ−Ｓ１００等）（株式会社キーエンス製））等が好適に用いられる。

図２は、本発明の液体供給装置の他の実施形態を示す説明用概略図である。
同図の液体供給装置１０１は、接触式変位センサ１０の代わりに非接触式変位センサ（光学式変位センサ）１１０とする以外は図１に示す液体供給装置１と同様の構成からなる。
同図において、図１と実質的に同一の部材・箇所には同一の符号を付し、その説明を省略する。
非接触式変位センサ１１０としては、例えば、上記した公知の、レーザー判別変位センサＩＬ−ＳシリーズＣＭＯＳ（ＩＬ−Ｓ１００等）（株式会社キーエンス製）等が用いられる。この例示のレーザー判別変位センサは、シリンダー２の下方の外側に配置された受発光器１１０ａの発光部（投光部）から照射されたレーザー光が、シリンダー２の端部２ｂの下方に支持部材（不図示）を介して設けられた光軸ミラー１１０ｂ及び端部２ｂの透明部を介してピストン３の加圧気体導入部５側の表面に達し、そこで反射されたレーザー光が端部２ｂ及び光軸ミラー１１０ｂを介して受発光器１１０ａの受光部に到達して、ピストン３の平行移動距離を加圧気体導入部５側から計測する構成になっている。

このレーザー判別変位センサは、三角測量を応用した測定原理でピストン３の平行移動距離を計測するものであって、対象物の位置が変動すると、ＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）の受光位置が変動するが、この受光位置を検出することで対象物の変位置を測定するものである。
なお、光軸ミラー１１０ｂを加圧気体導入部５内に支持部材を介して設け、また、受発光器１１０ａをシリンダー２の側面の外側に配置し、そして、受発光をシリンダー２の側面の透明部を介して行うようにすることもできる。
また、光軸ミラー１１０ｂは、光軸を屈折させて受発光器１１０ａと対象物（ピストン３の加圧気体導入部５側の表面）との光軸距離を延長させる機能を有するが、光軸ミラー１１０ｂを設けることなく、受発光器１１０ａをシリンダー２の端部２ｂの下方の適当な光軸距離を確保できる位置に配置することもできる。

本発明の液体供給装置１は、供給先９として、特に、微生物、動植物の細胞等の培養装置の培養槽に連通、連結し、液体である培地等の一時的、連続的あるいは断続的な供給等に好適に用いることができる。
液体供給装置１により滅菌した液体を供給する場合には、液体、液体供給装置１、加圧気体等を、公知の方法により適宜滅菌処理等をすればよい。
また、液体供給装置１は、供給先９を分注容器とすることにより、液体分注装置として有効に用いることができる。

液体供給装置１を上記した培養装置の培養槽に付加して備える態様において、液体としては、例えば、培地の他、ｐＨ調節剤（例示：水酸化ナトリウム、アンモニア、塩酸）、更には播種する細胞の懸濁液等が挙げられる。
液体供給装置１は、培養槽に対し複数連結して備えることができる。
また、液体供給装置１の用いて培養槽へ培地を供給する方法については、特に制限されず、上記のごとく、常法に従い必要時に適宜行うよう制御手段１１により制御すればよい。
更に、液体供給装置１を用いて培養槽内の培養物のｐＨを調節する方法については、例えば、培養槽内に設けたｐＨセンサの測定値に基づき算出されたｐＨ調節剤の所要量を供給するように制御手段１１により制御すればよい。
なお、変位センサ１０、１１０を備えない以外は液体供給装置１と同様の構成から成る装置を用い、そして培養槽内に設けたｐＨセンサの計測値に基づきｐＨ調節剤を徐々に供給し、培養物ｐＨが一定範囲になった時にその供給を停止するような方法を採用することもできる。

ここで、図１に示した本発明の液体供給装置１を用いて液体を供給先９に送出して供給したときの送出量（供給量）につき、実測した結果を試験例として示す。
（試験例）
液体供給装置１：
（１）シリンダー２：両端部２ａ、２ｂが封止された、内径３４ｍｍ、長さ１００ｍｍのポリカーボネート製で、その内部には、内径３３ｍｍ、厚さ１７ｍｍのポリカーボネート製のピストン３が２段の環状シール部材３ａ（Ｏリング）を介して装入されている。
（２）接触式変位センサ１０：高精度接触式デジタルセンサＧ２−Ｈ５０（株式会社キーエンス製）

試験方法：
ピストン３がその内部の適宜位置にあるシリンダー２の液体収容部４に液体供給源ＬＳから液体（水を使用）が注入され、この間に液体収容部４の上部の空気は、開閉弁２ｖが開にされて大気中に放出、抜気された。
次いで、開閉弁６ｖ及び２ｖが閉にされた後、ピストン３が加圧気体源ＧＳから加圧気体導入部５に導入された加圧気体（コンプレッサからの加圧空気（圧力５０〜１００ｋＰａ）の気体圧で液体収容部４側方向に適宜の速度で押進されることにより、液体収容部４の液体が供給先９の受け容器に連続的に送出して供給された。

このときの供給先９への液体供給量（ｇ）につき、本発明におけるシリンダー２内のピストン３の平行移動距離を接触式変位センサ１０で計測して求められた液体供給量（ｇ）（シリンダー２の内径と平行移動距離とから求められた容量×比重）（本発明方法）と、供給先９の受け容器に供給された液体の供給量（ｇ）を電子天秤で連続的に計測した液体供給量（ｇ）（従来方法）とを経時的に比較した。その結果を、表１及び図２として示す。
なお、液体供給量（ｇ）は、上記のごとく、連続的に計測されたが、表１においては、２０分毎の計測値をピックアップして示す。

表１及び図２から、本発明方法と従来方法とによる液体供給量（ｇ）の計測値はほぼ同じであることが分かる。このことから、本発明の液体供給装置１によれば、供給先９に所要量の液体を精度よく供給することができるといえる。

１、１０１液体供給装置
２シリンダー
３ピストン
４液体収容部
５加圧気体導入部
９供給先
１０接触式変位センサ
１１制御手段
１１０非接触式変位センサ
ＬＳ液体供給源
ＧＳ加圧気体源

Claims

両端部封止のシリンダーがその内部に装入されたピストンにより液体収容部と加圧気体導入部とに２分画されていて、当該液体収容部の液体を当該加圧気体導入部の気体圧で押進するピストンにより送出して供給する液体供給装置であって、前記液体収容部には、液体供給源に連通する液体注入管及び供給先に連通する液体送出管がそれぞれ開閉弁を介して連結され、
前記加圧気体導入部には、加圧気体源に連通する加圧気体導入管が開閉弁を介して連結され、
更に、前記気体圧により前記ピストンが前記液体収容部側方向に平行移動する距離を前記加圧気体導入部側から計測する変位センサ、及び前記変位センサで計測された前記ピストンの平行移動距離を制御することによって、前記平行移動距離と前記シリンダーの内径とから送出量が求められる液体を前記供給先に所要量で供給することを制御する制御手段が備えられた、前記装置。
前記制御手段は、前記ピストンの移動速度を制御する、請求項１記載の装置。
請求項１又は２に記載の液体供給装置が培養槽に連結して備えられた培養装置。