JPH02302264A

JPH02302264A - 輸液ポンプ

Info

Publication number: JPH02302264A
Application number: JP1123541A
Authority: JP
Inventors: Yuko Fujita; 藤田　雄耕
Original assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Current assignee: Japan Storage Battery Co Ltd
Priority date: 1989-05-17
Filing date: 1989-05-17
Publication date: 1990-12-14
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JP2797423B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】産業上の利用分野本発明は漬水、特に薬液を微量ずつ、しがち精度よく供
給するための輸液ポンプ、さらに詳しくは、電気化学的
な手法を用いた輸液ポンプに関するものである。

従来の技術近年、薬液を１敢量ずつ、しかも精度よく人体に注入す
るために各種輛冴ポンプが使用されるよう。

になってきた。

従来の輸液ポンプは、その方式の違いによってシリンジ
ポンプ、ペリスタルティック（ロータ式）ポンプ、フィ
ンガーポンプ、ベローズポンプのｔ１種類に分類される
。これらの内、ベローズポンプ以外のものは、いずれも
薬液を押し出すための駆動源としてステッピングモータ
、ロータリンレノイドモータ、あるいは直流モータなど
のモータを使い、薬液の吐出量の攻雑な制御機構を採用
しているために、その重量および寸法とも一般に大きす
き゛るし、また、高価であるために、病院のベッドサイ
ドで使われるのが普通であり、携帯用あるいは使い捨て
型にするには不向きである。また、ベローズポンプはフ
レオンカスの気化圧を利用してベローズを押し、それに
よって薬液を吐出させる方式のものであるが、フレオン
カスの気化圧を制御することが難しく、特に微量の薬液
を長時間かけて注入する場合には、その注入精度に問題
がある。

一方、近年、新しい方式として、電気化学的輸液ポンプ
が提案されている。（）ｘ、Ｊ：Ｒ，マゲット、米国特
許第４，５２２．６９８号）。この電気化学的輸液ポン
プは電解質として機能する含水されたイオン交Ｉ！！！
膜の両面に多孔性のガス拡散電極を接合した電気化学セ
ルの陽極に水素を供給し、陽・陰画極間に直流電流を通
電したとき、陽ｉ：Ｈ２−＝２Ｈ”　＋２ｅ−（１）陰
！ｆ１：　２Ｈ”　＋２ｅ−−８２（２）なる電気化学
反応が起こり、陰陽で発生する昇圧された水素をピスト
ン、ダイヤフラム、ベローズ等を押すための駆動源とし
て利用するものであり、陰極で発生する水素の圧力およ
び発生量を電気化学セルに通電する電流値によって極め
て精密に制御できる点に特徴がある。

また、この電気化学セルの反応′肉質として、水素の代
りに酸素を利用することし可能であり、この場合には陽ｙ４　二２１１２０−０２　　ト４　Ｈ＋＋４　ｅ　
−陰％：０２モ４８＋＋２ｅ−−２Ｈ２０なる反応が起
きる。そして、陰極に供給すべき１１々素源として空気
を用いれば輸液ポンプの構造はかなり簡単なものになり
、安価であるという理由から、使い捨て型のものとして
実用化される可能性がある。

発明が解決すべき課題従来の電気化学的輸液ポンプは、作用物質とＩ−て水素
あるいは純酸素を用いるときは、これらの気体を予め密
封しておかなければならないか、この操作はなかなかに
繁雑であるし、ガス漏れが起こることが多い。また、作
用物質として空気を用いる場合には、陰・極としての多
孔性ガス拡散電極が大気にさらされるために、イオン交
換膜に含浸されている水が多孔性ガス拡散電極の細孔を
通して蒸発し、そのためにイオン交換膜の導電性か低下
し、その結果、電気化学セルカ月幾能しなくなるという
問題がある。

また、従来の水素あるいは酸素の電気化学的移動反応を
利用する電気化学セルの作動電流密度は一般に２００〜
３００　ｍＡ／−であり、セルの小形化を計ろうとする
と、より大きな電流密度で作動し得る電気化学系を利用
した方がよい。

課題を解決するための手段本発明は水、の電解反応を利用して、陰極から発生する
水素、陽極から発生する酸素あるいはこれらの水素と酸
素の混合カスを輸液ポンプの加圧源とすることによ°つ
で、上述の如き水素′あるいは酸素の電気化学的移動反
応を利用する方式の欠点を除去せんとするものである。

作用１ｋを電解すると陰極から水素が、陽極から酸素が発生
ずることはよ（知られている。しかしながら、従来の水
電解セルは、その作動によって生成する水素なり酸素の
化学的特性に意味のある用途、例えば、ガスクロマトグ
ラフ用水素発生器あるいは水素−酸素炎をつくるための
水素−酸素混合ガス発生装置等に実用され、本発明のよ
うに水素／）るいは酸素の化学的特性とはｆｉｊＩの関
係もない輸液ポンプの駆動源もしくは加圧源として利用
しようという発想は全くなかった。

水電解セルには電解質としてアルカリあるいは酸の水７
Ｂ液、あるいはイオン交換膜が用いられるが、酸あるい
はアルカリの水溶液を用いた場合には、発生するガス中
に酸あるいはアルカリのミストが混入するし、酸あるい
はアルカリが漏れ出る恐れが大いにあるという問題があ
るのに対し、イオン交換膜を電解質とした場合には、こ
のようなことはなく、本発明の目的によく合致する。

イオン交換膜としてカチオン交換膜を用いた場合には、
次のような水電解反応が起る。

陰　極：　４Ｈ”　−）−４ｅ−→２Ｈ２陽　極：　２
Ｈ２０−０２±４Ｈ＋±４ｅ−全反応：　２Ｈ２０−２
８２＋０２また、アニオン交換膜を用いた場合には次のような反応
が起こる。

１ｔｆｉ　　ｔｆ＋：４Ｈ２０＋４ｅ−−２８２±４０
Ｈ−陽　　’ｆｆｘ：　　４０Ｈ−−０２＋２８２　０
−＋−４ｅ−全反応：２Ｈ２０→２Ｈ２＋０２いずれにしても、上述の反応によって生成する水素、酸
素のどちらかを利用するか、両者の混合ガスを利用する
ことが可能であり、ＩＡｈの通電電気量に対し、０°Ｃ
，１気圧に換算して、水素は／１２０ｍＮ、酸素は２１
０ｍｊ、両者の混合ガスは６３０ｍｊ発生する。そして
、水の消ｇ！量はＩＡｈにつき０．３３ｇ　（０，３３
ｍＮ　）である。

換言すると、水電解セルへの電流値を制御することによ
って単位時間に発生するガスの量を制御することかでき
る。また、これらのカスによってべロース、ダイヤフラ
ムあるいは注射間の内筒を押すとき、ある一定の圧力が
必要となるが、この圧力および流量も通電′Ｓ流によっ
て極めて精密に管理することかできる。

水電解セルを＠液ポンプに用いた場合の利点は、■密封
すべき反応物質が）Ｎ体である水であるため、密封化か
容易であり、かつ容積か少なくてすむ。

■作動電流密度が高いので、より小形化が可能である。

■水素と酸素との混合カスを利用した場合には、一定の
通電電流値あたりの全カス発生量が多い。■水の蒸発が
ない。の４点ということかできる。すなわち、従来の水
素あるいは純酸素の電気化学的移動現象を利用する輸液
ポンプの場合には、ガスを密封注入しなければならない
ため、その操作が繁雑であり、ガスの封入状態で長く放
置しておくとガスか抜けやすいという不具合かあるのに
対し、水電解セルの場合には、封入すべき反応物質が液
体である水であるため、封入に伴う問題は回避される。

また、気体を封入する場合には、封入すべき気体と同一
の容積を輪液ポンプの中に用意しなければならないのに
対し、水を封入する場合には、電解によって水の体積の
約１０００倍の体積の気体か得られるので、逆にいえば
、輸液ポンプがそれだけ小型になるという長所が得られ
る。また、従来のガスの電気化学的移動現象を利用する
セルの作動電流密度は２００〜３００　ｍ　Ａ／＝ｉか
°はぼ限界であったのに対し、水電解セルの場合には７
００〜１ｐ００ｍＡ、／−といった、はるかに大きな電
流密度での作動が可能であるため、セルをそれだけ小型
にすることが可能である。さらには、従来の方式の場合
には、水素あるいは酸素のどちらかしか利用できないの
に対し、本発明において、特に水の電解によって得られ
る水素と酸素の混合ガスを活用すると、一定の通電電流
当たりの全ガス発生量はより多くなり、このことも輸液
ポンプの小形化を図る上で有利となる。また、反応物質
として空気を用いる場合には、水の蒸発という問題が深
刻であるのに対し、本発明の場合には密閉系であるため
、このような不都合は起こらない。

本発明に用いられるイオン交換膜としては、パーフルオ
ロカーボンを母核にし、これにスルフ４ン酸基あるいは
カルホン酸基をイオン交換基と１−て保持するカチオン
交換膜、あるいは同じパーフルオロカーボンを母核とし
たアニオン交ＩｆＡ膜、あるいはスチレン−ジビニルベ
ンゼン共重合体をは核としたものか適している。

イオン交換膜への電流の接合方法およびそのための材料
としては、従来公知のすべての方法および材料が適用で
きる。しかし、従来の水電解セルの構造は、ずべてイオ
ン交１！ｉ！！ｌ１ｆｉの片面にＩＩＳ　極を、他面に
陽極を接合したものであったが、本発明の場合には、こ
のようなｔＭ　３Ｂの採用も勿論可能であるが、イオン
交換膜の片面に陰極と陽極の双方を絶縁した形で接合し
、他面には電極を接合しなくて、水に接するようにする
ことも有効である。つまり、水素と酸素との混合ガスを
利用する場合には、前者だとイオン交換膜を境にして、
一旦、片方から水素を発生させ、他面から酸素°を発生
させ、しかるのちに両者を混合する必要があるので、そ
の構造が複雑となり、特に輸液ポンプを使い捨て型にし
、微量の薬液用とする際には、このことが障害になるこ
とかあるのに対し、後者のように、片面のみからいきな
り水素と酸素が混合された形で発生させる方法が構造的
に簡単である。しかし勿論、イオン交換膜の片面に陰極
と陽極の双方を接合した場合には、当然、イオンの移動
距離が長くなり、内部抵抗が大きくなるという欠点もあ
るので、輸ンａポンプの対象とする薬液の吐出量によっ
てその構造を適宜選択するのがよい。

本発明にかかる輸液ポンプは使い捨て型にすることもで
きるが、水の再充填機構を付加すれば繰り返し使用型に
することもできる。水の再充填機構としては、ガスクロ
マトグラフの注射器による試料の注入部に採用されてい
るようなゴム栓を用いるのが適当である。尚、電気化学
セル部と薬液吐出機構部とは、それぞれ別途に用意して
おき、輸液ポンプの使用時に両者を合体させるような機
構を採用することも有効である。

実施例１第１図は本発明の第１の実施例にかかる輸液ポンプの断
面構造を示す。

％？ｌ液ポンプはま封筒１、内筒２、薬液吐出口３、電
気化学セル部４、薬液５、水６、および弁７から構成さ
れる。

電気化学セル部４は酸素発生を極としての陽極８、固体
電解質としてのイオン交換膜９および水素発生電極とし
ての陰極１０から構成される。イオン交換膜９としては
、パーフルオロカーボンスルフォン酸膜が用いられ、陽
極８および陰ｉｔ。

はいずれら白金から構成され、イオン交換膜に一体に接
合されている。

陽極８と陰極１０との間に直流電流を流すと水が電解さ
れ、陽極８から酸素が、陰極１０から水素が発生する。

水素は加圧され、内筒２を押し、薬液５を薬液吐出口３
から吐出される。酸素は弁７を介して外部へ放出される
９つまり、この場合には、水電解によって生成する水素
と酸素の内、水素のみを内筒の駆動源として利用してい
る。

実施例２第２図は本発明の第２の実施例にかかる輸液ポンプの断
面構造を示す。

輸液ポンプは注射ｆｉｌｌ内筒１２、薬液吐出口１３、
電気化学セル部１４、薬液１５、水１６、および酸素通
路１７から構成される。

電気化学セル部１４は実施例１で述べたと同様の、陽極
１８、イオン交換［１９および１陰２０から構成される
。

水電解によつ°ζ、陽ｆ！１７から発生する酸素は酸素
通路１６を移動し、陰極１９から発生する水素と混合さ
れ、内筒１２を押す。この場合には、水電解によって生
成する酸素と水素の混合ガスを内筒１２の駆動源として
利用するものである。

実施例３第３図は本発明の第３の実施例にかかる輸液ポンプの断
面構造を示す。

輸液ポンプは注射筒２１、内筒２２、薬液吐出口２３、
電気化学セル部２４、薬）夜２５、水２６から構成され
る。

電気化学セル部２４はイオン交換膜２５と陽極２６と陰
極２７とから構成されるが、第１図および第２図と異な
るところは、イオン交換膜２５の片面に１！！極２６お
よび陰陽２７が一体に接合されている点である。この場
合には、水電解によって陽極２６から発生する酸素と陰
極２７から発生する水素とはいきなり混合される。また
、水は注ｑ↑筒２１の一部に設けられている水供給口か
らｌ）：水される。

実施例４第１１図は本発明の第４の実施例にかかる輸凍ポンプの
断面構造を示す。

この場合の輸液ポンプは、大きく別けて加圧源部２９と
注射筒部３０とから構成され、輸液ポンプの使用時に両
者を嵌合合体させる。

加圧源部２つは加圧源部枠体３１の中に水電解セル３２
が収納されている。水電解セル３２は陽４１ｉ３３、含
水されたイオン交換膜３４、陰極３５、弾性体３６．３
６’、酸素導出口３７および水素導出口３８を設けたセ
ル枠体３９かへ構成される。

注射筒部３０は外筒４０、内筒４１、薬液吐出口４２、
薬液４３から構成される。

水電解を行うと、陽［ｉ３３から発生する酸素は加圧源
部枠体３１に設けられた溝４４を経て移動し、陰極３５
から発生する水素と混合され、この加圧された混合ガス
が内筒４１を押す。

効果従来の水素または酸素の電気化学的移動現象を利用する
輸液ポンプと、本発明にかかる水電解を利用したＰａ　
？Ｆｉ、ポンプについて、次のような比較を試みた。

比較の基準としては、インスリンを０．１ｍＪｌ／′１
１の速度で２４時間連続的に吐出する能力を持ったの輸
液ポンプを選んだ。

先ず、従来例として水素を電気化学セルに充填し、陽極
から陰極側に移動させて昇圧するタイプの輸液ポンプＡ
と、上述の実施例１の輸液ポンプＢとで、その寸法を比
較した。その結果、Ａの場合には４８ｍ１の容積が必要
で・あったのに対し、Ｂの場合には５ｍＮにすぎなかっ
た。また、両者を３０日間放置したところ、Ａの場合に
は水素ガスが漏れていたため、上述の輸液能力が出なか
ったのに対し、Ｂの場合には水減りはなく、３０日後も
輸液能力は変わらなかった。

次に、従来例として、反応物質として空気を用いた場合
の輸液ポンプＣと、実施例２によるｊ＋’ｆｊ　’ｔへ
ポンプＤとをＬｔ、較した。両者を２４時間１乍動させ
たところ、前者は１２時間後に輸ｌＡポンプか作動しな
くなったのに対し、後名は２４時間１１尾よく作動しな
。これはＣの場合、電気化学セルの多孔性空気極の細孔
を通して水が蒸発してしまったからである。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図、第３図および第４図はそれぞれ本発明
の第１、第２、第３および第４の実り色間にかかる輸）
Ａポンプの断面構造を示す。１・・・・・・注射間　　　２・・・・・パ内筒３・・
・・・・薬液吐出口　４・・・・・・電気化学セル部８
・・・・・・陽極　　　　　９・・・・・・イ、オン交
換膜１０・・・・・・陰極亨　１　目齋　２　呂賽　３　目

Claims

【特許請求の範囲】

（１）イオン交換膜の片面に陰極を、他面に陽極をそれ
ぞれ一体に接合せしめてなる電気化学セルに含水せしめ
るとともに、直流電流を通電することによって陰極から
発生する水素、陽極から発生する酸素、あるいはこれら
の水素と酸素との混合気体のいずれかを加圧源として、
液体を直接圧送するか、ベローズもしくはダイヤフラム
を介して液体を押し出すか、あるいは注射筒の内筒を前
進させて液体を押し出す機構を用いてなることを特徴と
する輸液ポンプ。
（２）イオン交換膜の片面に陰極と陽極とをそれぞれ絶
縁するように離して一体に接合せしめてなる電気化学セ
ルに含水せしめるとともに、直流電流を通電することに
よって陰極から発生する水素と陽極から発生する酸素と
の混合気体を加圧源として、液体を直接圧送するか、ベ
ローズもしくはダイヤフラムを介して液体を押し出すか
、あるいは注射筒の内筒を前進せしめて液体を吐出せし
める機構を用いてなることを特徴とする輸液ポンプ。