技術 吐出バルブ及びそれを用いた吐出ポンプ

0001

本発明は、血液や細胞懸濁液等の細胞関連の液体を吐出させるために用いられる吐出バルブ及びそれを用いた吐出ポンプに関する。

0002

従来から、血液や細胞懸濁液といった細胞関連組織等を含む液体を分注させるときに用いられるポンプとして、液体をピストンでシリンジに吸い上げて押し戻すシリンジポンプが主として用いられてきた（例えば、特許文献１参照）。このシリンジポンプは、液体の吐出口と吸引口とが形成されたシリンジと、長手方向の一端部がシリンジに挿入された大径ピストンと、シリンジ内部に位置する端部から出没自在な小径ピストンとを有する。

0003

また、チューブを回転ローラで押圧するチューブポンプが知られている。この種のチューブポンプとして、円筒形状の内周面を有するハウジングと、この円筒内周面の円周方向に沿って周回移動（公転）するローラを有するものがある（例えば、特許文献２参照）。このチューブポンプにおいて、チューブは、ハウジングの円筒内周に沿って配置されており、ローラを公転させると、ローラがチューブを押し潰しながらチューブの長さ方向に移動し、これによりチューブが蠕動してチューブ内の液体がチューブの入口側から出口側に送液される。

0004

特開２０１１−１６３７７１号公報
特開２０１０−１９６５３８号公報

0005

しかしながら、上記特許文献１に記載されたシリンジポンプでは、血液等を分注しようとした際には、液体の表面張力や粘性等によってシリンジ内に液体が僅かに残留することがあり、高精度での分注が困難であった。また、シリンジの内面をピストンが上下運動する際に、摩擦によって液体中の細胞が損傷を受けることがあり、極微細なゴミが発生し、これが細胞に吸着されて細胞が変質等するような不具合が生じる虞がある。また、上記特許文献２に記載されたチューブポンプでも、チューブがローラで押し潰されるときに、液体中の細胞まで機械的に強く刺激され、細胞に損傷を与える虞があり、また、チューブを押し潰す際に発生する極微細なゴミが混入することもある。

0006

本発明は、上記課題を解決するものであり、液体中の細胞に損傷を与え難く、微細なゴミが混入を防止し、且つ簡易な構成で高精度に液体を分注することができる吐出バルブ及びそれを用いた吐出ポンプを提供することを目的とする。

0007

上記目的を達成するため、本発明は、定量的に吸入した液体を吐出させるために用いられる吐出バルブであって、所定量の液体が注入される定量タンクと、前記定量タンクの一端部に設けられて液体を注入又は吐出するための液体開口部と、前記定量タンクの他端部に設けられて該定量タンク内の気圧を制御するエアポンプに接続される空気開口部と、を備え、前記空気開口部は、前記定量タンクに液体が注入されたとき、液体と共に浮遊する浮遊バルブによって閉口されることを特徴とする。

0008

また、上記吐出バルブにおいて、前記定量タンクの内表面と前記浮遊バルブの外周面との間に所定の隙間が存在することが好ましい。

0009

また、上記吐出バルブにおいて、前記浮遊バルブは、液体が吐出されるときに前記液体開口部を閉口しないことが好ましい。

0010

また、上記吐出バルブにおいて、前記浮遊バルブは、磁性体を内装し、前記定量タンクのうち、前記空気開口部が設けられた端部の近傍に、前記磁性体を引きつける又は反発させる電磁石が設けられていることが好ましい。

0011

また、上記吐出バルブにおいて、前記定量タンクは、その内周面に配され、前記空気開口部近傍における前記浮遊バルブの停止位置を調整する調節機構を更に備えることが好ましい。

0012

上記吐出バルブは、吐出ポンプに用いられることが好ましい。

0013

本発明によれば、エアポンプでの気体の吸引及び放出により、液体を吸入及び吐出するので、例えば、チューブポンプのように、液体自体が押し潰されることがなく、液体中の細胞に損傷を与え難くすることができる。また、定量タンクから液体開口部には、エアポンプにより空気が供給され続けるので、定量タンク内に付着した液体も空気と共に吐出される。従って、血液のように、液体の表面張力や粘性等によってシリンジ内に残留し易い液体も、有効に吐出することができ、高精度での分注が可能となる。また、定量タンクの容量が液止フィルタの設置で定められるので、高精度な液体の分注をすることができる。

0014

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る吐出バルブを用いた吐出ポンプの断面図、（ｂ）は上記吐出バルブの底面から液体開口部を視た図。
（ａ）乃至（ｄ）は上記吐出バルブを用いた吐出ポンプの動作を示す断面図。
本発明の第２の実施形態に係る吐出バルブを用いた吐出ポンプの断面図。
（ａ）乃至（ｅ）は上記実施形態の別の変形例に係る吐出バルブの断面図。
（ａ）（ｂ）は上記吐出バルブの変形例を用いた吐出ポンプの断面図。

0015

以下、本発明の第１の実施形態に係る吐出バルブ及びそれを用いた吐出ポンプについて図１及び図２を参照して説明する。図１（ａ）に示すように、吐出ポンプ１は、定量的に吸入した液体を吐出させるために用いられる吐出バルブ２と、この吐出バルブ２に接続されるエアポンプ３と、エアポンプ３の駆動を制御する制御部４と、を備える。エアポンプ３は、制御部４からの制御信号を受けて気体を吸引又は放出できるように、正転及び逆転を切り替えることができるステッピングモータを備えた任意のポンプが適用され、例えば、チューブポンプが用いられる。

0016

吐出バルブ２は、所定量の液体が注入される定量タンク５と、定量タンク５の一端部に設けられて液体を定量タンク５内へ注入及び定量タンク外へ吐出するための液体開口部６と、定量タンク５の他端部に設けられて定量タンク５内の気圧を制御するエアポンプ３に接続される空気開口部７と、を備える。空気開口部７は、定量タンク５に液体が注入されたとき、液体と共に浮遊する浮遊バルブ８によって閉口される。なお、図例では、空気開口部７とエアポンプ３とはチューブ等を介して接続されるが、図例ではチューブの描画を省略している。

0017

液体開口部６及び空気開口部７は、定量タンク５の内径よりも口径が小さくなっている。図１（ｂ）に示すように、液体開口部６は、底面側から視ると、その開口形状が四角形であり、浮遊バルブ８は、液体開口部６に当接した時でも、浮遊バルブ８と液体開口部６との間には隙間があり、液体開口部６を閉口しない。液体開口部６の内側面と定量タンク５の内側面とは、凹曲面で連続しており、球形の浮遊バルブ８が下降するときに、それを液体開口部６に誘導する。空気開口部７は、その開口形状が円形である。また、空気開口部７との内側面と定量タンク５の内側面とは、直交断面視で直交しており、これらの稜線に浮遊バルブ８が当接することで、空気開口部７は隙間なく閉口される。

0018

浮遊バルブ８は、本実施形態では、所定の弾性を有する球形状の部材である。浮遊バルブは空気開口部７と対向する部分が凸状に湾曲した略球面であり、空気開口部７を閉口できるように、少なくとも空気開口部７の口径より大きな直径に形成される。浮遊バルブ８を構成する材料としては、水に浮く比重である一方で、エアポンプ３による吸引では引き寄せられない所定の重量の材料が用いられる。そのようなものとしては、例えば、ゴムやコルク材等が挙げられる。

0019

定量タンク５は、筒状の部材であり、例えば、ポリプロピレン等の成形品により構成され、吸入された又は吐出される液体を目視確認し易いように、透明なプラスチックにより構成されることが好ましい。空気開口部７は、筒状の定量タンク５のうち、液体開口部６とは対向する端部に設けられている。本実施形態の吐出バルブ２では、液体開口部６は、液体の定量タンク５への注入時及び定量タンク５からの吐出時の両方で用いられる。液体開口部６には、チューブ６０が接続され、液体の注入時には、チューブ６０が血液等の吐出させようとする液体の貯蔵タンク６０Ａに接続され、液体の吐出時には、分注先となる容器６０Ｂに接続される。

0020

このように構成された吐出バルブ２を用いた吐出ポンプ１の動作について、図２（ａ）乃至（ｄ）を参照して説明する。なお、図例では、エアポンプ３、制御部４及びチューブ６０等の記載を省略している。まず、制御部４（図１参照）の制御信号を受けてエアポンプ３を正転させる。このとき、定量タンク５内の空気がエアポンプ３により吸引され、定量タンク５内が負圧になる。浮遊バルブ８と液体開口部６との間には隙間があるので、液体は、液体開口部６から定量タンク５内に注入されていく。

0021

そして、図２（ａ）に示すように、液体によって浮遊バルブ８が浮き、浮遊バルブ８は、液面と共に上昇する。定量タンク５の内表面と浮遊バルブ８の外周面との間に所定の隙間が存在するので、定量タンク５内の空気がエアポンプ３により吸引されると、液体が引き上げられ、浮遊バルブ８はその一部が液面上に浮いた状態で、定量タンク５内を上昇していく。そして、球状の浮遊バルブ８の凸状に湾曲した外表面が、円形の空気開口部７に嵌ることで、空気開口部７は隙間なく閉口される。

0022

空気開口部７が浮遊バルブ８で閉口されると、定量タンク５内が液体で満たされた状態となる。このとき、制御部４（図１参照）では、エアポンプ３の吸引力を負荷電流変化で感知し、エアポンプ３を逆転させる制御信号をエアポンプ３に送信する。エアポンプ３が逆転すると、図２（ｃ）に示すように、定量タンク５内には、空気が供給され、定量タンク５内が正圧になり、液体開口部６から液体が吐出されていく。

0023

そして、図２（ｄ）に示すように、浮遊バルブ８が液体開口部６にまで下降すると、定量タンク５内の液体は概ね吐出される。このとき、定量タンク５から吐出口６２にかけて、エアポンプ３により空気が供給され続ける。浮遊バルブ８と液体開口部６との間には隙間があるので、この隙間から、定量タンク５内に付着した液体が空気と共に吐出される。従って、血液にように、液体の表面張力や粘性等によってシリンジ内に残留し易い液体も、有効に吐出することができ、高精度での分注が可能となる。

0024

エアポンプ３が再び正転すると、図２（ａ）で示したように、定量タンク５の空気が吸引され、定量タンク５内が負圧になり、液体開口部６から定量タンク５内に液体が吸入される。上記の動作を繰り返すことにより、エアポンプ３の正転時には、定量タンク５に液体が吸入され、エアポンプ３の逆転時には、定量タンク５から液体が吐出される。

0025

上記実施形態の吐出バルブ２及びそれを用いた吐出ポンプ１では、定量タンクにエアポンプ３を接続し、エアポンプ３での気体の吸引及び放出により、液体を吸入及び吐出するので、例えば、チューブポンプのように、液体自体が押し潰されることがなく、液体Ｌ中の細胞に損傷を与え難く、また、微細なゴミが混入を防止することができる。また、空気開口部７を、液体に浮く浮遊バルブ８で閉口するので、エアポンプ３に液体が流入することを防止することができ、定量タンク５に注入される液体の容量を簡易な構成で設定することができる。

0026

本発明の第２の実施形態に係る吐出バルブ及びそれを用いた吐出ポンプについて図３及び図４を参照して説明する。図３に示すように、本実施形態に係る吐出バルブ２は、浮遊バルブ８が、磁性体を内装し、また、定量タンク５のうち、空気開口部７が設けられた端部の近傍に、磁性体を引く及び反発させる電磁石９が設けられているものである。

0027

この第２の実施形態では、液体開口部６として、注入口６１と吐出口６２とが個別に設けられている。注入口６１及び吐出口６２は、定量タンク５の一方の端部に外嵌されるキャップ部材６３と、キャップ部材６３を貫通するように夫々設けられて定量タンク５の内外を連通させる管状の吸入ノズル６４及び吐出ノズル６５と、を有する。注入口６１には、定量タンク５内へと一方向に液体を吸入させる吸入逆止弁６６が設けられている。また、吐出口６２には、定量タンク５外へ一方向に液体を吐出させる吐出逆止弁６７が設けられている。キャップ部材６３は、例えば、ＡＢＳ樹脂等の成形品により構成されている。図例では、吸入ノズル６４及び吐出ノズル６５は、送出する流体に応じて選定された可撓性材料、例えば、ゴム又は合成樹脂から構成される。

0028

空気開口部７は、定量タンク５の他方の端部に外嵌されるキャップ部材７１と、キャップ部材７１を側方に屈曲しながら貫通して定量タンク５の内外を連通させる管状の接続ノズル７２と、を有する。電磁石９は、コントロールケース９１によって定量タンク５の他方の端部に固定されている。空気開口部７側のキャップ部材７１及び接続ノズル７２は、注入口６１側のものと同様、樹脂成型品により構成される。

0029

本実施形態の浮遊バルブ８は、円筒状部材８１と、その上部に形成された球状凸面８２と、円筒状部材８１に内装された磁性体（永久磁石８３）と、を有する。円筒状部材８１の筒外形は、定量タンク５の内周面よりも僅かに小さく、それらの間に所定の隙間がある。また、球状凸面８２は、空気開口部７に対応するように形成されている。

0030

このように構成された吐出バルブ２を用いた吐出ポンプ１の動作について、図４（ａ）乃至（ｆ）を参照して説明する。なお、ここでも。図例では、エアポンプ３、制御部４及びチューブ６０等の記載を省略してる。まず、制御部４（図１参照）の制御信号を受けてエアポンプ３を正転させる。このとき、定量タンク５内の空気がエアポンプ３により吸引され、定量タンク５内が負圧になる。すると、図４（ａ）に示すように、吸入逆止弁６６
が開口し、液体が注入口６１から浮遊バルブ８と液体開口部６との隙間を介して定量タンク５内に注入されていく。そして、液体によって浮遊バルブ８が浮き、浮遊バルブ８は、液面と共に上昇する。

0031

として、図４（ｂ）に示すように、浮遊バルブ８の球状凸面８２が、円形の空気開口部７に嵌るる。このとき、図４（ｃ）に示すように、電磁石９が、永久磁石８３を引きつける磁力を発生させる。これにより、浮遊バルブ８の球状凸面８２が、空気開口部７により隙間なく密着する。そのため、エアポンプ３へ液体が吸引されることを、より効果的に抑制することができる。

0032

定量タンク５内が液体で満たされると、このとき、制御部４（図１参照）では、エアポンプ３の吸引力を負荷電流変化で感知し、エアポンプ３を逆転させる制御信号をエアポンプ３に送信する。エアポンプ３が逆転すると、図４（ｄ）に示すように、定量タンク５内には、空気が供給され、定量タンク５内が正圧になり、吐出逆止弁６７が開口し、液体開口部６から液体が吐出されていく。このとき、電磁石９が、永久磁石８３を反発させる磁力を発生させる。これにより、浮遊バルブ８が、吐出口６２側へ押し込まれ、その勢いで、液体開口部６から、効液体が効率的に吐出される。

0033

そして、図４（ｅ）に示すように、浮遊バルブ８が液体開口部６にまで下降すると、定量タンク５内の液体は概ね吐出される。このとき、定量タンク５から吐出口６２にかけて、エアポンプ３により空気が供給され続ける。浮遊バルブ８と液体開口部６との間には隙間があるので、この隙間から、定量タンク５内に付着した液体が空気と共に吐出される。従って、血液にように、液体の表面張力や粘性等によってシリンジ内に残留し易い液体も、有効に吐出することができ、高精度での分注が可能となる。

0034

本実施形態によれば、電磁石９で永久磁石８３を引き付ける及び反発させて、浮遊バルブ８を上下に動作させることで、エアポンプ３だけの場合よりも、より強力に液体を注入及び吐出するこができる。また、液体が粘度のある生体材料であると、浮遊バルブ８が空気開口部７に詰まり易くなるが、磁力で浮遊バルブ８を反発されることで、浮遊バルブ８を押し出して、詰まりを解消することができる。

0035

また、本実施形態では、浮遊バルブ８を定量タンク５の筒形状の内表面に対応した筒状部材としたので、浮遊バルブ８が液体に浮遊した時に傾き難く、安定的に上下動することができる。更に、本実施形態では、注入口６１と吐出口６２とを分け、夫々に吸入ノズル６４及び吐出ノズル６５を接続したので、注入と吐出の作業効率が良くなり、分注速度を向上させることができる。

0036

次に、上記実施形態の変形例に係る吐出バルブ２について、図５を参照して説明する。この変形例における吐出バルブ２は、浮遊バルブ８の設置位置を調整する調節機構を更に備えたものである。具体的には、図５（ａ）に示すように、定量タンク５の空気開口部７側に位置に中央が開口した弾性チューブ５２（調節機構）を配置し、浮遊バルブ８の上昇位置を低くしている。この変形例によれば、定量タンク５に注入される液体の容積を調整することができる。また、図５（ｂ）に示す変形例では、浮遊バルブ８の円筒状部材８１（調節機構）の大きさを変えることでも、定量タンク５に注入される液体の容積を調整することができる。

0037

なお、本発明は、所定量の液体が注入される定量タンク５と、定量タンク５の一端部に設けられて液体を注入又は吐出するための液体開口部６と、定量タンク５の他端部に設けられて定量タンク５内の気圧を制御するエアポンプ３に接続される空気開口部７と、を備え、空気開口部７が、定量タンク５に液体が注入されたとき、液体と共に浮遊する浮遊バルブ８によって閉口されるものであれば、上記実施形態の構成に限られず、種々の変形が可能である。上記第２の実施形態では、電磁石９を用いたが、その動作はエアポンプ３と連動している必要があり、電磁石９もまた制御部４により動作制御がなされる。

0038

１吐出ポンプ
２吐出バルブ
３エアポンプ
５定量タンク
５２弾性チューブ（調節機構）
６液体開口部
７空気開口部
８ 浮遊バルブ
８１円筒状部材（調節機構）
８３永久磁石（磁性体）
９ 電磁石