JPH06323244A - 輸液ポンプ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 構造が簡単、安価、使用時の操作が容易、か
つ小型・軽量化が可能な輸液ポンプを提供する。 【構成】 固体高分子アニオン交換膜４の片面に、該固
体高分子アニオン交換膜に対して耐食性を有する酸化物
を含む電極３を、他面に金属電極５をとりつけた電気化
学セル部に、直流電流を通電し、金属電極から発生する
酸素ガスを加圧源とする。発生した酸素は、アニオン交
換膜を透過して陰極側へいっても、反応したり、外部へ
漏れたりしないために、酸素の発生量は通電電気量によ
って正確に決めることができる。通電電気量を制御する
ことによって、きわめて精度の高い、任意の輸液量が得
られる。しかも構造が簡単で、使用にあたっての操作も
容易であり、しかも小形軽量化が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液体、特に薬液を微量
ずつ、しかも精度よく供給するための輸液ポンプに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、薬液を微量ずつ、しかも精度よく
人体に注入するために各種輸液ポンプが使用されるよう
になってきた。

【０００３】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４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、ロータリソレノイドモータ、あるいは直
流モータなどのモータを使い、薬液の吐出量の複雑な制
御機構を採用しているために、その重量および寸法とも
一般に大きすぎるし、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、フレオンガ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、フレオンガ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。

【０００４】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（Ｈ．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
ン交換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・陰両極間に直流電
流を通電したとき、陽極では水素（Ｈ₂ ）が水素イオン
となり、生じた水素イオンがイオン交換膜を通って陰極
側に達し、そこで水素（Ｈ₂ ）が発生するという、電気
学反応が起こることを利用したものである。

【０００５】すなわち、陰極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。

【０００６】また、この電気化学セルの反応物質とし
て、水素の代りに酸素を利用することも可能であり、陰
極に供給すべき酸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る。

【０００７】さらに、この電気化学的輸液ポンプの改良
型として、水の電気分解反応を利用する方法が提案され
ている（特開平２−３０２２６４）。この方法は、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
接合するか、あるいは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した電気化学セルに含水
させ、両極に直流電流を通電した際に水の電気分解によ
って発生する水素か酸素、あるいは水素と酸素の混合ガ
スを輸液ポンプの加圧源とするものである。これらの電
気化学的方法は、輸液量を精度よく制御できるが、電気
化学セル部の構造が複雑で、高価につくという欠点があ
った。

【０００８】また、水電解で発生する酸素や水素を加圧
ガスに利用する場合、いったん発生した酸素や水素がイ
オン交換膜を透過して、互いに混ざりあい、白金のよう
な電極に接すると、触媒作用のために再結合によって水
にもどってしまう。その結果、通電電気量に応じたガス
発生量が得られなくなる。また、酸素か水素の一方を加
圧ガスに利用する場合、片方のガスをセルの外部へ放出
しなければならず、セルが開放型となり、イオン交換膜
から水が蒸発してしまい、イオン交換膜の電導度を低下
させたり、また、外部の空気中の不純物が電気化学セル
部にもちこまれるというような欠点をもっていた。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上記のよう
な課題を解決するためになされたものであり、その目的
とするところは、構造が簡単で、安価で、使用時の操作
が容易で、しかも小型・軽量化が可能な輸液ポンプを提
供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気化学セル
部に直流電流を通電することによって発生する酸素ガス
を加圧源とする輸液ポンプにおいて、電気化学セル部を
固体高分子アニオン交換膜の片面に該固体高分子アニオ
ン交換膜に対して耐食性を有する酸化物を含む電極を、
他面に金属電極を取りつけた構成とすることにより、従
来のベローズ、ダイヤフラム、注射筒などを使用した
り、電気化学的方法を使用した輸液ポンプの欠点を除去
せんとするものである。

【００１１】

【作用】本発明になる輸液ポンプの電気化学セル部に、
金属電極が陽極となり、固体高分子アニオン交換膜に対
して耐食性を有する酸化物を含む電極が陰極となる方向
に、直流電流を通電した場合、陰極では酸化物が水およ
び電子と反応して、酸化物が還元され、この時生じた水
酸イオンがアニオン交換膜の内部を移動して陽極に達
し、陽極では水酸イオンから水と酸素が生成する。すな
わち、陰極では金属酸化物の還元反応が起こるだけで、
ガスの発生はない。したがって、陰極側を完全密閉構造
とすることができる。一方、陽極からは酸素が発生し、
これを薬液の加圧源に利用するものである。この場合、
発生した酸素は、アニオン交換膜を透過して陰極側へい
っても、反応したり、外部へ漏れたりしないために、酸
素の発生量は通電電気量によって正確に決めることがで
きる。したがって、通電電気量を制御することによっ
て、きわめて精度の高い、任意の輸液量が得られるもの
である。なお、固体高分子アニオン交換膜は多くの場合
水酸イオンを含んでおり、強アルカリ性であるので、陰
極に使用する化合物は該固体高分子アニオン交換膜に対
して耐食性を有する酸化物を使用しなければならない。

【００１２】なお、輸液すべき目的の液体としては、通
常は薬液が考えられるが、本発明の輸液ポンプの用途は
薬液の輸液に限定されるものではなく、あらゆる液体の
輸液に利用できることはいうまでもない。

【００１３】

【実施例】以下、本発明を好適な実施例を用いて説明す
る。

【００１４】［実施例１］陽極として白金メッキしたニ
ッケル網電極、固体高分子アニオン交換膜としてはポリ
４フッ化エチレン鎖を骨格とするフッ素系アニオン交換
膜、陰極の固体高分子アニオン交換膜に対して耐食性を
有する酸化物としては電解二酸化マンガンを使用した電
気化学セル部と、薬液充填部とを組み合わせた輸液ポン
プを作製した。

【００１５】図１は、その断面構造を示したものであ
り、輸液ポンプは電気化学セル部１と薬液充填部２とか
ら構成されている。電気化学セル部１は、陰極３とイオ
ン交換膜４と陽極５とから構成される。陰極３は電解二
酸化マンガンとデイスパージョンフッ素樹脂を混練した
もので、直径１５ｍｍ、二酸化マンガン含有量は２００
ｍｇである。イオン交換膜４は直径２０ｍｍであり、陽
極５は直径１５ｍｍの白金メッキしたニッケル網電極で
ある。６はガス室であり、輸液ポンプを始動する前は水
７で満たしておく。８はフッ素オイルで、ガス室の水と
薬液が混合しないようにとりつけたものである。９は薬
液、１０は薬液吐出口である。

【００１６】陽極と陰極との間に直流電流を流すと、各
電極では次のような反応が起こると推定され、陽極から
酸素が発生する。

【００１７】

【化１】 陽極から発生した酸素はガス室６にたまり、加圧されて
フッ素オイル８を押し、薬液９を押し出し、薬液が吐出
口１０から吐出される。例えば、セル当り３ｍＡの直流
電流を５時間流した場合、各１時間当り０．６ｍｌ、合
計３．０ｍｌの薬液が吐出される。このときのクーロン
効率は約９０パーセントであった。なお、陽極からの酸
素発生量は通電電気量に比例するので、電流を変えるこ
とによって、任意の単位時間当り吐出量が得られるもの
である。

【００１８】［実施例２］陰極の材質を二酸化鉛とし、
それ以外はすべて実施例１と同じ構成の輸液ポンプを作
製した。通電電流と薬液吐出量の関係は、実施例１の場
合と同じであった。 ［実施例３］陰極の材質を一酸
化鉛・二酸化鉛・四三酸化鉛の混合物とし、それ以外は
すべて実施例１と同じ構成の輸液ポンプを作製した。通
電電流と薬液吐出量の関係は、実施例１の場合と同じで
あった。

【００１９】［実施例４］陰極材質をオキシ水酸化ニッ
ケルとし、それ以外はすべて実施例１と同じ構成の輸液
ポンプを作製した。通電電流と薬液吐出量の関係は、実
施例１の場合と同じであった。

【００２０】

【発明の効果】本発明になる輸液ポンプの加圧部として
使用する電気化学セル部は、固体高分子アニオン交換膜
の片面に陽極としての金属電極を、他面に陰極としての
固体高分子アニオン交換膜に対して耐食性を有する酸化
物を含む電極を取りつけたものから構成されている。

【００２１】陰極は、二酸化マンガン、二酸化鉛、オキ
シ水酸化ニッケルなどの、固体高分子アニオン交換膜に
対して耐食性を有する酸化物で構成されているため、フ
ッ素系アニオン交換膜のような強アルカリ性の固体高分
子アニオン交換膜と接した場合でも、化学的にきわめて
安定でまったく変化しない。また、陰極での反応は金属
酸化物の還元であり、それ以外のガス発生のような反応
は一切ないために、ガスを外部に逃がすような構造は不
必要となり、電気化学セル部を密閉型とすることができ
る。密閉型とすることによって、空気中の不純物の混入
を防ぐことができ、さらに、カチオン交換膜の乾燥も防
止でき、長期の保存や使用に耐えるものである。なお、
陰極に使用する酸化物としては、実施例で述べた二酸化
マンガン、二酸化鉛、鉛酸化物の混合物、あるいはオキ
シ水酸化ニッケル以外にも、使用する固体高分子アニオ
ン交換膜に対して耐食性を有する酸化物ならすべて使用
可能である。

【００２２】陽極には、金属電極を使用しているが、特
に多孔性金属電極を使用した場合には、電極の全面から
酸素ガスを容易に発生させることができる。なお、陽極
の金属電極としては、一般にカチオン交換膜を使用する
場合には、腐食性が特に大きいために、使用する材料は
かなり制限をうけ、白金やチタンなどの高価な金属に限
定されるが、本発明のように、アニオン交換膜を用いる
場合には、実施例で述べた白金メッキしたニッケル網電
極以外にも、ニッケル、鉄、ステンレス鋼などの多種類
の安価な材料の使用が可能である。また、電極の形状
も、実施例で述べた網状以外にも、ラス状やエキスパン
デット形状、あるいは無電解メッキでとりつけた多孔性
電極など、あらゆる形状のものが使用できる。

【００２３】また、陽極で発生した酸素が、たとえイオ
ン交換膜を透過して陰極側に達しても、陰極側ではなん
ら変化せず、外部に漏れることもない。したがって、陽
極からは通電電気量にほぼ正確に対応した量の酸素が発
生し、精度のよい薬液の吐出量が得られるものである。
もちろん、単位時間当りの薬液の吐出量は、通電電流を
変えることによって任意の値に設定することができる。

【００２４】また、電気化学セルの電解液に当たる部分
に固体高分子アニオン交換膜を使用しているため、溶液
を用いる場合よりも簡単な構造にすることができ、しか
もアニオン交換膜の内部は水酸イオンが移動するだけで
あり、副反応などが生じることはまったくない。なお、
固体高分子アニオン交換膜としては、実施例で述べたポ
リ４フッ化エチレン鎖を骨格とするフッ素系アニオン交
換膜以外にも、スチレン−ジビニルベンゼン共重合系の
ような、安価な炭化水素系固体高分子膜などの、あらゆ
る種類の固体高分子アニオン交換膜が使用可能なことは
いうまでもない。 なお、実施例においては、長時間に
わたって薬液を微量ずつ供給する場合について述べた
が、本発明になる輸液ポンプは、薬液に限らず、あらゆ
る種類の液体への応用が可能であり、また、合計の輸液
量は、陰極に使用する金属化合物の重量によつて任意の
値に設定することができるものである。

【００２５】このように、本発明になる輸液ポンプは、
構造が簡単で、使用にあたっての操作も容易であり、し
かも小型・軽量化が可能であり、携帯用あるいは使い捨
て型にすることができるという利点をもち、従来のベロ
ーズやダイヤフラムあるいは注射器を用いた輸液ポンプ
の欠点を取り除くことができるものであり、その工業的
価値はきわめて大きい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明になる、実施例にかかる輸液ポンプの断
面構造を示した図である。

【符号の説明】

１ 電気化学セル部 ２ 薬液充填部 ３ 陰極 ４ アニオン交換膜 ５ 陽極

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固体高分子アニオン交換膜の片面に、該
   固体高分子アニオン交換膜に対して耐食性を有する酸化
   物を含む電極を、他面に金属電極をとりつけた電気化学
   セル部に、直流電流を通電し、金属電極から発生する酸
   素ガスを加圧源とすることを特徴とする、輸液ポンプ。
2. 【請求項２】 固体高分子アニオン交換膜に対して耐食
   性を有する酸化物が二酸化マンガンであることを特徴と
   する、請求項１記載の輸液ポンプ。
3. 【請求項３】 固体高分子アニオン交換膜に対して耐食
   性を有する酸化物が鉛酸化物あるいは二種以上の鉛酸化
   物の混合物であることを特徴とする、請求項１記載の輸
   液ポンプ。
4. 【請求項４】 固体高分子アニオン交換膜に対して耐食
   性を有する酸化物がオキシ水酸化ニッケルであることを
   特徴とする、請求項１記載の輸液ポンプ。