JP6401987B2 - 培養装置及び湿度制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、培養装置及び湿度制御方法に関する。

細胞や微生物等の培養物を培養室内で培養する培養装置が開発されている。例えば、培養室内の加湿皿の水を加熱するための底ヒータと、培養室内を加熱するためのヒータと、を備え、これらのヒータを個別に制御して加湿皿の水の温度を培養室内の温度よりも低めに維持することによって、培養室内の過飽和分の水を加湿皿に戻して、結露を抑制する培養装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−２２７９４２号公報

このように培養装置は、培養室内に結露が生じないように制御することが必要であるが、一方で、培養室内の培養物にとっては、培養室がより高湿度であるほど好ましい。

そのため、培養装置は、培養室の内部をなるべく高湿度に維持しながらも結露を生じないように高い精度で制御できることが求められる。

しかしながら、湿度センサは精度の高いものであっても数％程度の誤差があり、より高い精度で培養室内の湿度を制御することは困難である。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、培養室内の湿度をより高精度に制御することが可能な培養装置及び湿度制御方法を提供することを一つの目的とする。

本開示における培養装置は、培養室を囲む断熱箱と、前記培養室を加湿する加湿部と、前記加湿部により加湿された前記培養室内の水蒸気を結露させる結露部と、前記結露部を冷却する冷却部と、前記結露部の温度を測定する温度センサと、前記温度センサの測定値及び前記培養室内の目標湿度に基づき、前記冷却部を制御して前記結露部の温度を所定温度にすることで前記培養室内の湿度を制御する制御部と、を備える。

本発明は、培養室内の湿度をより高精度に制御することができる。

本開示の培養装置の断熱扉を開いた状態を説明する斜視図である。 本開示の培養装置の培養空間とダクトを中心として空気循環を説明するインキュベータを右側から見た状態の断面説明図である。 本開示の培養装置の伝熱結露部材と加湿皿との関係を説明する斜視図である。 本開示の培養装置の伝熱結露部材と加湿皿との関係を説明する正面図である。 本開示の培養装置の伝熱結露部材と加湿皿との関係を説明する断面で示す側面図である。 本開示の培養装置の伝熱結露部材と加湿皿との関係を説明する平面図である。 本開示の培養装置の伝熱結露部材、ヒートシンク、電子冷却素子、及び断熱部材との関係を説明する分解斜視図である。 本開示の培養装置の伝熱結露部材、ヒートシンク、電子冷却素子、及び断熱部材との関係を説明する断面斜視図である。 本開示の培養装置の伝熱結露部材への電子冷却素子とヒートシンクの取り付け関係を説明する断面図である。 本開示の制御装置の機能ブロック図である。 温度を飽和水蒸気圧との関係を示す図である。 本開示の制御装置を用いた湿度制御処理の流れを示すフローチャートである。 本開示の培養装置の一例を示す図である。 本開示の培養装置の一例を示す図である。 本開示の培養装置の一例を示す図である。 本開示で伝熱結露部材として使用するヒートパイプを説明するための説明図である。

本開示の実施形態における培養装置１を、図面を参照しつつ説明する。

培養装置１は、図１及び図２に示すように、細胞や微生物等の試料の培養を行うための培養室４を内部に配置した内箱２２によって形成する略箱状の断熱箱本体２と、培養室４の湿度を制御するための加湿水を貯溜し培養室４の底部に配置される加湿皿１５と、断熱箱本体２を貫通し一端が培養室４の内部に配置され、他端が断熱箱本体２の外部に配置される伝熱結露部材（以下、伝熱部材とも記す）３５と、を備えて構成される。

伝熱結露部材３５は、断熱箱本体２の側面又は背面に貫通するように取り付けられ、培養室４の内部に配置される先端結露部３１（連絡部３０）が、貫通部分から離間した第１位置（曲折部３４）で下方へ向かって屈曲し、かつ、前記一端が加湿皿１５の内部へ向かって傾斜し、水平方向において先端結露部３１の最下端が加湿皿２の縁部より加湿皿２の内側に配置される構成である。

また培養装置１は、左開き式の扉（詳しくは外扉７と内扉３）を備えるものであり、前面に開口２Ａを有する断熱箱本体２は、細胞や微生物等の試料の培養を行うための培養室４を内部に形成する略箱状をなしている。

培養装置１は、金属製の外箱２１と、外箱２１の内側に配置される断熱材２４と、その内側に空気層（所謂エアージャケット）２５を存して配置される金属例えばステンレス製の前面開口の内箱２２と、を備えて構成されている。これによって、断熱箱本体２内に内箱２２によって前面開口の培養室４が形成され、培養室４内が細胞や微生物等の試料の培養を行う領域となる。内箱２２の左右両側面、天面、底面及び背面には、培養室４を加熱するための加熱ヒータ３７が配置される。

また断熱箱本体２の一側部（図２では左側）には、培養室４の前面開口２Ａからの熱進入を防止する外扉としての断熱扉７が開閉自在に取り付けられており、断熱扉７の裏側面の周縁部には磁石入りのガスケット８が環状に配置されている。断熱扉７を閉じたときガスケット８が断熱箱本体２の前面開口２Ａの周縁部に密着することにより、断熱扉７によって気密的に前面開口２Ａが閉塞され、培養室４の前面開口２Ａからの外気進入を防止する。

培養室４は、前面開口のステンレス製の内箱２２によって区画形成されており、内箱２２の左右両側面、天面及び背面は、断熱箱本体２と空気層（所謂エアージャケット）２５を存して断熱箱本体２内に配置されている。内箱２２の前面開口は内扉としての透明扉３によって開閉される構成であり、実質的に内箱２２と透明扉３とで囲まれる空間により培養室４が形成される。透明扉３は、その左側をヒンジにより内箱２２に開閉自在に支持されている。内箱２２の前面開口周縁部には環状配置した弾性シール部材２Ｂを備えており、透明内扉３を閉じたとき透明内扉３の裏側面が弾性シール部材２Ｂに密着して、培養室４の前面開口が閉塞される。

培養室４は、複数の棚５により上下に（ここでは４枚の棚で５つに）区画されている。培養装置１は、例えば、ＣＯ２インキュベータであれば、ＣＯ２の濃度を５％程度に設定・維持するケースが多く、ＣＯ２の濃度制御により扉の閉塞後にＣＯ２ガスを培養室４内に供給するようにしている。

培養室４には、その背面及び底面に沿ってそれぞれＣＯ２等を含む空気の気体通路Ｋを形成するために、内箱２２の背壁及び底壁と間隔を存して背面ダクト１１Ａ及び底面ダクト１１Ｂからなるダクト１１が配置されている。培養装置１は、背面ダクト１１Ａの上部に形成された吸込口１２から培養室４内のＣＯ２等を含む気体を吸い込み、底面ダクト１１Ｂの前部及び側面に設けられた吹出口１３から培養室４内に空気を吹き出すようにして空気の強制循環を行う。

ダクト１１内（ここでは上部）には、このＣＯ２等を含む気体の強制循環のために循環用送風機１４が配置されている。この送風機１４は、ファン１４Ａとモータ１４Ｂと軸１４Ｃとで構成されており、モータ１４Ｂは後述する断熱箱本体２の外側背面の機械室１９に配置され、軸１４Ｃはこの機械室１９のモータ１４Ｂから断熱箱本体２の背面を貫通してＣＯ２等の気体通路Ｋまで延びてファン１４Ａに接続されている。

また、培養室４の底面で且つ底面ダクト１１Ｂと内箱２２の底壁と間の底面ダクト１１Ｂ内には、加湿用の水（即ち加湿水）１６を貯溜する上面開口の加湿皿（加湿部）１５が配置される。加湿皿１５は、内箱２２の底面外側に配置されたヒータ３７により加熱されて水を蒸発させる。

尚、加湿皿１５をダクト１１内で且つ培養室４の底部に配置することにより、循環用送風機１４及びダクト１１にて形成される培養室４へのＣＯ２等の気体通路Ｋに加湿されたガスを効率よく循環させることが可能となる。

断熱箱本体２の外箱２１の背面には、循環用送風機１４の駆動手段たるモータ１４Ｂや、培養室４にＣＯ２ガスを供給するためのガス供給手段１７、培養室４の温度（庫内温度）を測定するための庫内温度センサ１１０、制御装置（制御部）１００等の電装部品を収容する電装ボックス３８等を配置するための機械室１９が、外箱２１の背面を覆う背面カバー２６によって形成される。

ガス供給手段１７は、ガス供給管１７Ａと、開閉弁１７Ｂと、フィルタ１７Ｃ等で構成され、ガス供給管１７Ａの先端部分は、気体通路Ｋに臨むようになっている。

培養装置１は、培養室４内を流通する気体及び加湿皿１５内の加湿水１６を殺菌するために、気体通路Ｋ内に紫外線ランプ２７を配置している。

培養装置１は、断熱箱本体２に設けられている操作入力受付部（不図示）から、培養装置１の起動及び停止の指示や、培養室４の目標温度（例えば３７℃）、目標湿度（例えば９３％ＲＨ）、ＣＯ２ガスの目標濃度（例えば５％）等の指示入力を受け付ける。そして制御装置１００は、培養室４の温度や湿度、ＣＯ２濃度が上記目標値になるように制御を行う。

次に、伝熱結露部材３５について説明する。

図２〜図９に示すように、培養装置１の所定の箇所には、一端の先端結露部３１と他端の熱排出部３２が連絡部３０を介して一体化された伝熱結露部材（結露部）３５が装着されている。伝熱結露部材３５は、作動液が封入されたヒートパイプ、アルミニウム等の良熱伝導材で構成した所定長さの丸棒、或いはアルミニウム等の良熱伝導材で構成した所定長さの平板のいずれであってもよい。

以下に記載する実施形態では、アルミニウムやステンレス等の良熱伝導材で構成した所定長さの丸棒を伝熱結露部材３５として採用した場合について記載する。

伝熱結露部材３５は、断熱箱本体２の背面を貫通するように断熱箱本体２に装着され、この背面の貫通方向に延伸する。また伝熱結露部材３５は、断熱箱本体２内の培養室４に呈される第１部位と、断熱箱本体２の外部に呈される第２部位と、を有しており、熱排出部３２が断熱箱本体２の外部に配置され、連絡部３０が断熱箱本体２及び内箱２２を貫通し、先端結露部３１が断熱箱本体２内部のダクト１１Ａ内の気体通路Ｋに配置されるように装着されている。熱排出部３２は、培養装置１の周囲からの外力によって損傷を受けないように、培養装置１の背面側の機械室１９内に配置されている。

連絡部３０が断熱箱本体２及び内箱２２を貫通する部分は、少なくとも金属製の外箱２１とステンレス製の内箱２２との間に断熱性シール材３６が配置されている。このように断熱性シール材３６を介在させたので、気体通路Ｋを流れる気体が外部に漏洩せず、培養室４が悪影響を受けなくなり、かつ連絡部３０と内箱２２との接触部に結露が生じることを防止できる。また、外箱２１と内箱２２の熱影響を抑制できる。

また図９に示すように、伝熱結露部材３５には、断熱箱本体２の外部において、外箱２１と接触しつつ伝熱結露部材３５を下方から支持するように保持部材１３０が装着されている。保持部材１３０は、取り付けネジ４４によって伝熱結露部材３５に固定されている。伝熱結露部材３５に保持部材１３０を装着することによって、伝熱結露部材３５のぐらつきを防ぎ、培養室４の気密性をより確実に維持することができる。

また熱排出部３２には電子冷却装置（冷却部）４０が装着されている（図１参照）。電子冷却装置４０は熱排出部３２を冷却する。熱排出部３２を冷却することにより、その冷却効果が連絡部３０を通って先端結露部３１に伝達され、先端結露部３１、特に曲折部３４の近傍を所定の露点温度に保って先端結露部３１の表面に結露を生じさせる。ここで、電子冷却装置４０で冷却された冷却効果の伝達は先端結露部３１の先端に向かって減衰していくため、培養室４に呈される第１部位において曲折部３４の近傍が最も低温となる。

熱排出部３２への取り付けの容易さ、小型化、温度制御のし易さ等を達成するために、本開示では、電子冷却装置４０として、ペルチェ効果によって熱排出部３２を冷却するペルチェ素子と称する電子冷却素子４１と、それの放熱を行うためのヒートシンク４２を備えている。

ペルチェ素子と称する電子冷却素子４１は、ＰＮ接合の複数の半導体素子で冷却・加熱部を構成するものであり、一方向にＮ型半導体とＰ型半導体が交互配列された状態で、隣り合うＮ型半導体とＰ型半導体の一端側が熱良導板で連結されて吸熱部（冷却側）を構成し、他端側が熱良導板で連結されて放熱部（加熱側）を構成する関係によって、全体としてＮ型半導体とＰ型半導体が直列状態に接続された構成である。

ヒートシンク４２は、板状ベース部４２Ａの上面に間隔を存して複数の放熱フィン４２Ｂが板状ベース部４２Ａと一体形成されたアルミニウム製の部材である。

図７〜図９に示すように、電子冷却素子４１は、吸熱部（冷却側）が伝熱結露部材３５の熱排出部３２の上面に熱伝導状態に取り付けられている。このために、伝熱結露部材３５の熱排出部３２は上面に平坦な取り付け面を形成しており、この取り付け面に放熱用グリスを介して、または薄い熱伝導ゴムシート等の熱伝導性部材を介して電子冷却素子４１の冷却側が配置される。

一方、電子冷却素子４１の放熱部（加熱側）には、放熱用グリスを介して、または薄い熱伝導ゴムシート等の熱伝導性部材を介して放熱器として作用するヒートシンク４２の板状ベース部４２Ａが配置される。この状態で、図７〜図９に示すように、伝熱結露部材３５の熱排出部３２の下側から熱排出部３２を貫通して、ヒートシンク４２の板状ベース部４２Ａに対して取り付けネジ４４を締め付け結合する。これによって、伝熱結露部材３５の熱排出部３２、電子冷却素子４１、及びヒートシンク４２が熱伝導状態に一体化される。

伝熱結露部材３５の先端結露部３１を露点温度に保って先端結露部３１の表面に結露を生じさせるために、電子冷却素子４１によって熱排出部３２を冷却する。熱排出部３２は、電装ボックス３８内の発熱部品から発生する熱影響が少ない位置となるように、電装ボックス３８の側方に配置されている。

また図７〜図９に示すように、伝熱結露部材３５は、断熱箱本体２の外部に呈される第２部位から、伝熱結露部材３５の延伸方向に沿って温度センサ装着穴（穿設穴）１４０が穿設されている。

そしてこの温度センサ装着穴１４０には、結露部温度センサ１２０が挿入される。より詳しくは、温度センサ装着穴１４０の最奥部に、結露部温度センサ１２０のサーミスタ１２１が位置するように装着される。このような態様により、伝熱結露部材３５の温度をより正確に測定することが可能となる。また結露部温度センサ１２０を培養室４に曝さなくてよいので、培養室４の清掃負担を軽減することが可能となる。

さらに本実施形態においては、温度センサ装着穴１４０は、伝熱結露部材３５の曲折部３４に最奥部が形成されるように穿設されている。このため、結露部温度センサ１２０は、培養室４に呈される第１部位の中で最も低温となる曲折部３４の温度をより正確に測定することが可能である。

結露部温度センサ１２０のサーミスタ１２１は、リード線１２２によって制御装置１００と接続されており、制御装置１００は、曲折部３４の温度が所定の目標温度になるように電子冷却素子（冷却部）４１を制御することで、培養室４の湿度を制御する。

以下に、本実施形態に係る制御装置１００が行う培養室４の湿度制御について説明する。

制御装置１００は、庫内温度センサ１１０及び結露部温度センサ１２０の測定値に基づき、電子冷却素子（冷却部）４１を制御して、伝熱結露部材（結露部）３５の温度を所定温度にすることで、培養室４内の湿度を制御する。

制御装置１００が有する機能構成を図１０に示す。図１０には、制御装置１００が備える各種の機能の内、培養室４内の湿度を制御するための機能についてのみを記す。

制御装置１００は、露点温度算出部１０１と、結露部温度制御部１０２と、を備えて構成される。

露点温度算出部１０１は、培養室４の温度（例えば３７℃）と、培養室４の目標湿度（例えば９３％ＲＨ）を取得する。そして露点温度算出部１０１は、培養室４内の温度から求まる培養室４内の飽和水蒸気圧または飽和水蒸気量と、培養室４内の目標湿度と、に基づいて、伝熱結露部材（結露部）３５の目標温度（露点温度）を算出する（詳しくは後述する）。

そして結露部温度制御部１０２は、伝熱結露部材３５の温度が上記目標温度（露点温度）になるように電子冷却素子（冷却部）４１を制御する。

次に、本実施形態に係る制御装置１００が、伝熱結露部材（結露部）３５の目標温度（露点温度）を算出し、伝熱結露部材（結露部）３５の温度が目標温度になるように電子冷却素子４１を制御することによって、培養室４の内部を目標湿度に制御する際の様子を、図１１及び図１２を参照しながら説明する。

図１１は、空気の温度（℃）と飽和水蒸気圧（ｈＰａ）との関係を表すグラフであり、Ｔｅｔｅｎｓの式として知られている。

まず制御装置１００はヒータ３７をオンし、加湿皿１５内に貯留する水を蒸発させることによって培養室４内を加湿する（S1000）。

次に制御装置１００は、培養室４の温度（t1）と目標湿度（ｈ％ＲＨ）を取得する（S1010）。そして制御装置１００は、培養室４内の空気の温度がｔ１である時の飽和水蒸気圧ｘ１（ｈＰａ）を算出し、そして、培養室４の湿度が目標湿度（ｈ％ＲＨ）になるときの水蒸気圧ｘ２（ｘ２＝ｘ１×ｈ／１００）を算出する（S1020）。

そして制御装置１００は、ｘ２（ｈＰａ）で空気中の水蒸気が飽和するときの温度ｔ２（℃）を、伝熱結露部材（結露部）３５の目標温度（露点温度）として算出する（S1030）。

そして制御装置１００は、結露部温度センサ１２０による測定値と、上記目標温度（露点温度）と、の差が小さくなるように、ＰＩＤ制御等を行って電子冷却素子４１を継続的に駆動することで、伝熱結露部材３５の温度を上記目標温度に近づける（S1040）。

制御装置１００が上記のような制御を行うことによって、伝熱結露部材３５の培養室４に呈される第１部位において結露が生じ、培養室４内の湿度が目標湿度になるように制御される。

このような態様により、本実施形態に係る培養装置１は、培養室４内の湿度をより高精度に制御することができる。

なお上記の説明では、庫内温度センサ１１０の測定値と目標湿度とを用いて、伝熱結露部材３５の目標温度（露点温度）を算出する場合について説明したが、培養装置１は、操作入力受付部（不図示）に入力された培養室４の目標温度（例えば３７℃）になるように培養室４内の温度制御を行っており、培養室４の温度はこの目標温度にほぼ等しい状態に維持されているため、庫内温度センサ１１０の測定値を用いずに、操作入力受付部（不図示）に入力された培養室４の目標温度と目標湿度とに基づき、伝熱結露部材３５の目標温度を算出するようにしてもよい。このような態様により、伝熱結露部材３５の目標温度を算出する処理を簡単化することが可能となる。

また、図５に示すように、伝熱結露部材３５の連絡部３０は、外箱２１と内箱２２に接触しない状態で、外箱２１の貫通孔２１Ｐ、断熱性シール材３６、及び内箱２２の貫通孔２２Ｐを貫通する。断熱性シール材３６は疎水性の高い部材が好ましく、ポリアセタール樹脂がその一つである。また、疎水性の材質として、疎水性のゴム、フッ素系樹脂等の採用でもよい。断熱性シール材３６は、その基盤部３６Ｃの背面が貫通孔２１Ｐを塞ぐ状態で外箱２１の背壁の内側面に当接し、断熱材２４を貫通する。そして断熱性シール材３６は、主体部３６Ａを挟んで基盤部３６Ｃとは反対側に配置される先端シール部３６Ｂが、内箱２２の貫通孔２２Ｐを貫通して気体通路Ｋ内に延出している。

伝熱結露部材３５は、図示の如く、断熱性シール材３６の基盤部３６Ｃと主体部３６Ａと先端シール部３６Ｂとを貫通して保持されている。この断熱性シール材３６によって、気体通路Ｋを流れる気体が伝熱結露部材３５の配置部分から漏洩せず、培養室４が気体の漏洩による悪影響を受けなくなり、且つ、伝熱結露部材３５の連絡部３０を介して内箱２２に結露することを防止でき、伝熱結露部材３５に対する外箱２１と内箱２２の熱影響を抑制できる。

先端結露部３１に結露した水分が下方に流下して加湿皿１５に入るようにするために、伝熱結露部材３５は、ダクト１１Ａ内の気体通路Ｋに呈される第１部位が曲折部３４で下方に曲折され、曲折部３４から先端結露部３１に到る伝熱結露部材３５の部分が下向きに構成してある。また加湿皿１５も、伝熱結露部材３５に付着した水が落下する位置に上面開口部が位置するように配置されている。なお、伝熱結露部材３５の先端結露部３１は、対応するダクト１１Ａと平行になるようにして下向きにすることで、ダクト１１の奥行幅をコンパクトに構成したが、この角度に限定するものではない。

また、断熱性シール材３６のダクト１１内に延出する部分に結露した水分、即ち、気体通路Ｋに露出した先端シール部３６Ｂに結露した水分が、下方に流下して加湿皿１５に入るようにするために、先端シール部３６Ｂは、その上下面は勿論のこと左右面も含めた周囲面が、前方に向けて斜め下向きの傾斜面を形成して、加湿皿１５の内側の真上に、延出している。そして加湿皿１５も、先端シール部３６Ｂに付着した水が落下する位置に上面開口部が位置するように配置されている。

また、先端結露部３１の先端は、加湿皿１５の内部へ向かって傾斜し、水平方向において先端結露部３１の最下端が加湿皿１５の縁部より加湿皿１５の内側に、言い変えると結露した水分が重力によって下方に流下した時に確実に加湿皿１５の内側に入る位置に配置されている。すなわち、先端結露部３１の先端は、断熱箱本体２の背面から遠ざかるように傾斜している。そのため、先端結露部３１を断熱箱本体２の背面近傍まで近づけたとしても、先端結露部３１の最下端は断熱箱本体２の背面と一定の距離を確保することができる。

これによって、曲折部３４から先端結露部３１の先端に到る伝熱結露部材３５の部分によく結露し、結露した水分が重力によって下方に流下して飛散することなく加湿皿１５に入る。また、気体通路Ｋに露出した断熱性シール材３６の先端シール部３６Ｂに結露した場合でも、その結露水は、重力によってその傾斜に沿って下方に流下し、加湿皿１５に直接落下するか、先端結露部３１を伝って加湿皿１５に落下するため、飛散することなく加湿皿１５に入る。

なお上記実施形態では、伝熱結露部材３５に培養室４内の水蒸気を結露させる場合について説明したが、図１３〜図１５に示すように、伝熱結露部材３５を用いない構成も可能である。

例えば図１３に示す例では、ステンレス製の内箱２２の空気層２５の側に電子冷却装置４０を装着して、電子冷却装置４０を装着した部分の内箱２２の温度を上述した目標温度（露点温度）に冷却することで、内箱（結露部）２２に結露を生じさせる。

この場合、結露により生じた水滴は内箱２２の壁面を伝って流下する。そのため、内箱（断熱箱）の底部に、水を貯留可能な凹部１５０を形成するようにする。

そして、この凹部（加湿部）１５０に貯留した水をヒータ３７で加湿することで、培養室４内を加湿する。このような態様により、培養装置１の部品点数を削減でき、コストダウンを図ることも可能である。また培養室４の内部の形状を単純化でき、水蒸気に曝される部品の数を減らせるので、清掃負担も軽減できる。

あるいは図１４に示すような態様も可能である。図１４に示す例は、ステンレス製の内箱２２の空気層２５の側に電子冷却装置４０を装着して、電子冷却装置４０を装着した部分の内箱２２の温度を上述した目標温度（露点温度）に冷却することで、内箱（結露部）２２に結露を生じさせる点では図１３に示す例と同様であるが、内箱２２の結露部として機能させる部分の壁面を、他の部分の壁面よりも、培養室４の内側に近づく方向に突出させ、しかも突出させた部分の周囲を、培養室４の内側に近いほど下方に位置するような斜め下向きの傾斜面として形成している。そして結露部として機能する突出した部分の壁面が加湿皿（加湿部）１５の上部開口面の上方に位置するようにしている。このため、結露により生じた水滴を加湿皿１５の内部に落下させることができる。

また図１４に示す態様でも、加湿皿１５に貯留した水をヒータ３７で加湿することで、培養室４内を加湿するようにできる。このような態様により、培養装置１の部品点数を削減でき、コストダウンを図ることも可能である。また培養室４の内部に曝される部品の数を減らせるとともに、培養室４内の形状も単純化できるので、清掃負担も軽減できる。

あるいは図１５に示すような態様も可能である。図１５に示す例は、内箱（断熱箱）２２の底部に、水を貯留可能な凹部１５０を形成するとともに、前記凹部１５０に貯留する水の水面よりも高くなる部分を有するような凸部（結露部）１６０を凹部１５０内に形成した構成である。

そして内箱２２の一部である凸部１６０の外側（空気層２５の側）に電子冷却装置４０を装着して、凸部１６０の温度を上述した目標温度（露点温度）に冷却することで、凸部（結露部）２２に結露を生じさせる。

この場合、結露により生じた水滴は凸部１６０の周囲の壁面を伝って凹部（加湿部）１５０に流下する。

そして、この凹部１５０に貯留した水をヒータ（図１５には不図示）３７で加湿することで、培養室４内を加湿する。このような態様により、培養装置１の部品点数を削減でき、コストダウンを図ることも可能である。また培養室４の内部に曝される部品の数を減らせるとともに、培養室４内の形状も単純化できるので、清掃負担も軽減できる。

また、伝熱結露部材３５をヒートパイプ３５を用いて構成することも可能である。図１６には伝熱結露部材３５の一種であるヒートパイプ３５の構成を示しており、ヒートパイプ３５は、棒状の密閉容器内に少量の液体（作動液）を真空封入し、内壁に毛細管構造（ウイック）３３を備えたものであり、先端結露部３１で作動液が蒸発（蒸発潜熱の吸収）し、蒸発した蒸気は熱排出部３２の方向に移動する。蒸気は熱排出部３２で凝縮して蒸発潜熱を放出する。そして凝縮した液は毛細管現象で先端結露部３１へ還流する。このような一連の相変化が連続的に生じ、先端結露部３１における熱が熱排出部３２に素早く移動するようになっている。

このようにヒートパイプ３５により伝熱結露部材３５を構成した場合は、熱排出部３２に電子冷却素子４１を装着して冷却するが、熱排出部３２自体が先端結露部３１を冷却する冷却部としても機能する。

なお、伝熱結露部材３５における熱移動を素早くするためには、ヒートパイプ３５が好適であるが、培養装置１のように、極めて短時間の熱移動を要求されなくても差し支えない場合は、伝熱結露部材３５は、アルミニウムや銀等の金属性良熱伝導材で構成した所定長さの丸棒、或いはアルミニウムや銀等の良熱伝導材で構成した所定長さの平板のいずれであってもよい。アルミニウムの場合は、その表面に抗菌性皮膜を抗菌メッキまたは抗菌アルマイト等によって形成することにより、雑菌の繁殖防止効果を得る。伝熱結露部材３５の銅材を採用することも考えられるが、銅は緑青が発生する虞があるため、この緑青が表面に現れないようにメッキを施す等の処置が必要である。

また図１６には示していないが、伝熱結露部材３５としてヒートパイプ３５を用いる場合も、ヒートパイプ３５は断熱箱本体２内の培養室４に呈される第１部位と、断熱箱本体２内の外部に呈される第２部位とを有しており、第１部位の曲折部３４において先端を下方に向けるように屈曲させるとよい。また第２部位には、ヒートパイプ３５の延伸方向に沿って温度センサ装着穴（穿設穴）１４０が穿設されており、この温度センサ装着穴１４０には、結露部温度センサ１２０が装着されている。

以上、本実施形態に係る培養装置１及び湿度制御方法について説明したが、本実施形態に係る培養装置１及び湿度制御方法によれば、湿度センサの誤差の影響を受けずに、培養室４内の湿度をより高精度に制御することが可能となる。

また本実施形態に係る培養装置１は、断熱箱本体２のいずれかの面（一例として正面奥側の面）を貫通するように伝熱結露部材３５が装着されている。このような態様により、断熱箱本体２の外部から伝熱結露部材３５を介して培養室４の湿度を制御することが可能になる。

また本実施形態に係る伝熱結露部材３５は、断熱箱本体２の何れかの側面（一例として正面奥側の面）を貫通するように断熱箱本体２に装着される金属棒であり、断熱箱本体２内に呈される第１部位は、上記貫通箇所から離間した第１位置で先端部を下方を向けるように屈曲してなる。

このような態様により、伝熱結露部材３５に付着した水を断熱箱本体２の壁面から離間させた位置に落下させることができるので、落下地点に上面に開口部を有した回収容器を配置することで、確実に水滴を回収することが可能となる。

また本実施形態に係る伝熱結露部材３５は、断熱箱本体２の外部に呈される第２部位から、伝熱結露部材３５の延伸方向に沿って穿設された穿設穴を有してなり、伝熱結露部材３５の温度を測定する温度センサが、この穿設穴の最奥部に装着されるように構成されている。

このような態様により、伝熱結露部材３５の温度をより正確に測定することが可能となる。また温度センサを培養室４に曝す必要がないので、培養室４の清掃を容易にでき、培養装置１の維持負担を軽減することができる。

さらに本実施形態に係る伝熱結露部材３５の上記穿設穴は、伝熱結露部材３５が屈曲する上述した第１位置に最奥部が形成されるように穿設されている。

このような態様により、結露部温度センサ１２０は、培養室４において最も低温になる部分又はその近傍である第１位置の温度を測定することが可能となる。これにより、結露部温度制御部１０２は、第１位置の近傍を所定の露点温度に保つことが可能となるため、培養室４内の湿度をより高精度に制御することが可能となる。

なお上記実施形態では、ヒータ３７を用いることにより加湿皿１５あるいは凹部１５０内の水を蒸発させて培養室４を加湿する場合について説明したが、例えば、超音波を出力可能な超音波振動子を用いて加湿皿１５あるいは凹部１５０に貯留する水を霧化させるようにしてもよい。この場合、ヒータ３７の代わりに超音波振動子を用いてもよいし、あるいはヒータ３７と併用して超音波振動子を用いてもよい。このような態様により、培養室４内を効果的に加湿することが可能となる。

あるいは、ヒータ３７や超音波振動子を用いずに、加湿皿１５や凹部１５０内の水が自然に蒸発する作用により培養室４を加湿するようにしてもよい。このような態様により、培養装置１の部品点数を減らし、コスト削減を図ることが可能となる。

また上記実施形態では、図１１を参照しながら、制御装置１００が伝熱結露部材３５の目標温度を算出する際に培養室４内の水蒸気圧を用いる場合を例示したが、飽和水蒸気圧は飽和水蒸気量に換算可能であるので、培養室４内の水蒸気量を用いてもよい。

また上記実施形態では、電子冷却装置４０を用いて伝熱結露部材３５を冷却する場合について説明したが、伝熱結露部材３５の冷却手段は電子冷却装置４０に限られず、どのような手段であってもよい。例えば上述したヒートパイプを用いてもよいし、熱排出部３２の熱を大気へ自然放出することにより冷却してもよい。各種の冷却装置を用いることで伝熱結露部材３５を冷却してもよく、例えば、ファンを用いて熱排出部３２に風を当てることで伝熱結露部材３５を冷却してもよいし、熱排出部３２に冷却水に浸すように構成することにより伝熱結露部材３５を冷却してもよい。

また上記実施形態では、伝熱結露部材３５の形状として円筒形の丸棒である場合について説明したが、平板状であってもよい。平板状にした場合には、伝熱結露部材３５の表面積を丸棒よりも拡大できるので、伝熱結露部材３５の表面で単位時間あたりに結露する水蒸気の量を増大できるので、より効率的に培養室４内の湿度の制御を行うことが可能となる。

さらに、上記したように、本実施形態に係る培養装置１によれば、連絡部３０が内箱２２を貫通する部分は、ステンレス製の内箱２２との間に断熱性シール材３６を介して連絡部３０が配置されているので、気体通路Ｋを流れる気体が伝熱結露部材３５の配置部分から漏洩せず、培養室４が気体の漏洩による悪影響を受けなくなり、且つ、伝熱結露部材３５の連絡部３０を介して内箱２２に結露することを防止でき、伝熱結露部材３５に対する外箱２１と内箱２２の熱影響を抑制できる。

伝熱結露部材３５の熱排出部３２には、上記同様に電子冷却素子４１の吸熱部（冷却部）が熱伝導状態に取り付けられている。このため、上記同様の制御によって、先端結露部３１の表面に結露を生じさせ、その結露水を加湿皿１５へ導入して、再び加湿用に利用できるものとなる。

上記の開示技術では、伝熱結露部材３５の熱排出部３２の放熱促進を電子冷却素子４１によって行っている場合は、電子冷却素子４１の駆動電圧を可変することにより、先端結露部３１の表面に結露を生じさせる温度状態に制御できる。

なお本開示で使用する伝熱結露部材３５の大きさ、形状、寸法、個数などは培養装置１の容量、形状、大きさ、培養物などによって異なる。

本実施形態に係る培養装置１は、細胞や微生物等の試料の培養を行うための培養室４を内部に形成する略箱状の断熱箱本体２と、前記培養室４の湿度を制御するための加湿水を貯溜し前記培養室４の底部に配置される加湿皿１５と、前記断熱箱本体２を貫通し一端が前記培養室４の内部に配置され他端が前記断熱箱本体２の外部に配置される伝熱結露部材３５と、を備え、伝熱結露部材３５は、培養室４の内部に配置される先端結露部３１に繋がる連結部３０が断熱箱本体２の側面又は背面から下方へ向かって屈曲し、かつ、前記一端が加湿皿１５の内部へ向かって傾斜し、水平方向において先端結露部３１の最下端が加湿皿２の縁部より加湿皿２の内側に配置される構成である。

これにより、連絡部３０及び先端結露部３１に結露した水分を下方に流下させて加湿皿１５に入れ、加湿水１６として繰り返し使用できるので、培養室４の壁内面への結露を防止して培養物に対する悪影響を抑制することができる。

また培養装置１は、先端結露部３１の先端が加湿皿１５の内側に向かって傾斜している。すなわち、先端結露部３１の先端は、断熱箱本体２の背面から遠ざかるように傾斜している。そのため、先端結露部３１を断熱箱本体２の背面近傍まで近づけたとしても、結露した水分を確実に加湿皿１５内に流下させることができる。

また、断熱箱本体２の背面との間に培養室４内の気体を対流させる気体通路を形成するダクト１１（背面ダクト１１Ａ）を、備え、先端結露部３１は、水平方向において断熱箱本体２の背面とダクト１１との間の位置に配置される。

これにより、ダクトを背面に近づけることができ、培養室４の広さを確保することができる。

また本実施形態に係る培養装置１において、断熱箱本体２は、前記培養室４を形成する略箱状の内箱２２と、前記内箱２２の外周を囲む略箱状の外箱２１と、を有し、前記伝熱結露部材３５における前記内箱２２を貫通する部分と前記内箱２２との間には断熱性かつ疎水性を有する断熱性シール材３６が配置される。

これにより、断熱性シール材３６の疎水性により、断熱性シール材３６の部分に結露しても、その結露水は速やかに流下させることができる。更に、断熱性シール材３６の断熱性により、伝熱結露部材３５を介して内箱２２に結露することを防止でき、伝熱結露部材３５に対する内箱２２の熱影響を抑制できる。

また本実施形態に係る培養装置１は、断熱性シール材３６は、前記培養室４内に延出する先端シール部３６Ｂが前記伝熱結露部材３５の一端側へ向かって下方へ傾斜し、先端シール部３６Ｂの周囲に付着する結露水を前記加湿皿１５へ導入させる。

これにより、断熱性シール材３６の培養室４内に延出する先端シール部３６Ｂに結露しても、飛散することなく速やかに加湿皿１５へ導入させることができるため、培養室４の壁面への結露を防止して培養物に対する悪影響を抑制することができ、加湿皿１５へ導入された水を加湿水１６として繰り返し使用することもできる。

また本実施形態に係る培養装置１は、伝熱結露部材３５における前記外箱２１と前記内箱２２との間に配置される部分は、断熱性を有する断熱性シール材３６Ａで覆われている。

これにより、伝熱結露部材３５における前記外箱２１と前記内箱２２との間に配置される部分は、内箱２２及び外箱２１からの温度影響が抑制され、培養室４内に延出する部分への結露効果を十分に得ることができる。

また本実施形態に係る培養装置１において、伝熱結露部材３５は、前記断熱箱本体２の外部に配置される熱排出部３２にペルチェ効果によって前記伝熱結露部材３５を冷却可能な電子冷却素子４１が設けられ、かつ、前記電子冷却素子４１によって冷却されることにより前記先端結露部３１の表面に結露させた水分を下方に配置された前記加湿皿１５に導入させる。

これにより、電子冷却素子４１の駆動電圧を可変することにより、先端結露部３１の表面に結露を生じさせる温度状態に制御できる効果がある。

なお上記実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明はその趣旨を逸脱することなく変更や改良等が可能であり、また本発明はその等価物も含む。

１ 培養装置
２ 断熱箱本体
２Ａ 開口
３ 透明内扉
４ 培養室
５ 棚
７ 断熱扉
８ ガスケット
１１ ダクト
１１Ａ 背面ダクト
１１Ｂ 底面ダクト
１４ 循環用送風機
１５ 加湿皿
１６ 加湿水
１７ ガス供給手段
１７Ａ ガス出口
２１ 外箱
２２ 内箱
２４ 断熱材
２５ 空気層（エアージャケット）
３０ 連絡部
３１ 先端結露部
３２ 熱排出部
３３ 毛細管構造（ウイック）
３４ 曲折部
３５ 伝熱結露部材（結露部）
３６ 断熱性シール材
３６Ａ 断熱性シール材の主体部
３６Ｂ 断熱性シール材の先端シール部
３６Ｃ 断熱性シール材の基盤部
４０ 電子冷却装置
４１ 電子冷却素子
４２ ヒートシンク
１００ 制御装置
１０１ 露点温度算出部
１０２ 結露部温度制御部
１１０ 庫内温度センサ
１２０ 結露部温度センサ
１２１ サーミスタ
１２２ リード線
１３０ 保持部材
１４０ 温度センサ装着穴
１５０ 凹部
１６０ 凸部

Claims (17)

1. 培養室を囲む断熱箱と、
   前記培養室を加湿する加湿部と、
   前記加湿部により加湿された前記培養室内の水蒸気を結露させる結露部と、
   前記結露部を冷却する冷却部と、
   前記結露部の温度を測定する温度センサと、
   前記温度センサの測定値及び前記培養室内の目標湿度に基づき、前記冷却部を制御して前記結露部の温度を所定温度にすることで前記培養室内の湿度を制御する制御部と、
   を備える培養装置。
2. 請求項１に記載の培養装置であって、
   前記制御部は、前記培養室内の温度から求まる前記培養室内の飽和水蒸気圧または飽和水蒸気量と、前記培養室内の目標湿度と、に基づいて、前記培養室内の目標飽和水蒸気圧または目標飽和水蒸気量を求め、前記目標飽和水蒸気圧または前記目標飽和水蒸気量から前記結露部の目標温度を算出し、前記結露部の温度が前記目標温度になるように前記冷却部を制御する
   培養装置。
3. 請求項１または２に記載の培養装置であって、
   前記結露部は、前記断熱箱の何れかの面を貫通するように前記断熱箱に装着される伝熱部材を備えて構成される
   培養装置。
4. 請求項３に記載の培養装置であって、
   前記伝熱部材は、前記断熱箱の何れかの側面を貫通するように前記断熱箱に装着され、前記側面の貫通方向に延伸する金属棒であり、前記断熱箱内に呈される第１部位は、前記側面における貫通箇所から離間した第１位置で先端部を下方を向けるように屈曲してなる
   培養装置。
5. 請求項４に記載の培養装置であって、
   前記伝熱部材は、前記断熱箱の外部に呈される第２部位から、前記伝熱部材の延伸方向に沿って穿設された穿設穴を有してなり、
   前記温度センサが、前記穿設穴の最奥部に装着されてなる
   培養装置。
6. 請求項５に記載の培養装置であって、
   前記穿設穴は、前記伝熱部材が屈曲する前記第１位置に前記最奥部が形成されるように穿設されてなる
   培養装置。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の培養装置であって、
   前記加湿部は、前記培養室内に配置され、上部に開口部が形成された貯水容器を備えて構成される
   培養装置。
8. 請求項７に記載の培養装置であって、
   前記貯水容器は、前記結露部に付着した水が落下する位置に前記開口部が位置するように配置される
   培養装置。
9. 請求項７または８に記載の培養装置であって、
   前記加湿部は、前記貯水容器に貯留する水を温めるヒータをさらに備えて構成される
   培養装置。
10. 請求項７〜９の何れかに記載の培養装置であって、
    前記加湿部は、前記貯水容器に貯留する水を霧化させるための超音波を出力可能な超音波振動子をさらに備えて構成される
    培養装置。
11. 請求項１〜６の何れかに記載の培養装置であって、
    前記断熱箱の底部には、水を貯留可能な凹部が形成され、
    前記加湿部は、前記凹部により構成される
    培養装置。
12. 請求項１１に記載の培養装置であって、
    前記加湿部は、前記凹部に貯留する水を温めるヒータをさらに備えて構成される
    培養装置。
13. 請求項１１または１２に記載の培養装置であって、
    前記加湿部は、前記凹部に貯留する水を霧化させるための超音波を出力可能な超音波振動子をさらに備えて構成される
    培養装置。
14. 請求項１〜３の何れかに記載の培養装置であって、
    前記断熱箱の底部には、水を貯留可能な凹部が形成されるとともに、前記凹部に貯留する水の水面よりも高くなる部分を有するような凸部が前記凹部内に形成され、
    前記加湿部は、前記凹部により構成され、
    前記結露部は、前記凸部により構成される
    培養装置。
15. 請求項１〜１４の何れかに記載の培養装置であって、
    前記結露部は、ヒートパイプを含んで構成される
    培養装置。
16. 請求項１〜１５の何れかに記載の培養装置であって、
    前記冷却部は、電子冷却素子を含んで構成される
    培養装置。
17. 断熱箱で囲まれた培養室の湿度を制御する方法であって、
    前記培養室内を加湿し、
    前記培養室内の温度を測定し、
    前記培養室内の温度から求まる前記培養室内の飽和水蒸気圧または飽和水蒸気量と、前記培養室内の目標湿度と、に基づいて、前記培養室内の湿度が前記目標湿度になるときの前記培養室内の水蒸気圧または水蒸気量を求め、
    前記水蒸気圧または前記水蒸気量で水蒸気が飽和するときの温度を目標温度として求め、
    前記培養室内の水蒸気を結露させるために用いる結露部を前記目標温度に冷却する
    湿度制御方法。