(57)【要約】【課題】非常に簡便な機構を有し、しかも製造に必要な部品数を少なくして、コストパフォーマンスが高いものとすると共に小型化が可能なものとし、またポンプ流の制御が簡便に行え、作動中に騒音がまったく発生せず、しかもマイクロリットル単位、さらにはナノリットル単位の極微量の液体の送液も簡単に行うことのできる液体ポンプを提供する。【解決手段】先後端口１ａ、１ｂを設けた圧力容器１内に液体を密封状態に保つと共に、前記圧力容器１およびこの圧力容器１内に密封された液体を同時に加熱または冷却し、これらの熱膨張率の差によって先後端口１ａ、１ｂから送液するようにしている。前記圧力容器１は、長尺状のチューブとし、このチューブの内径を約０．５ｍｍ以下のものとし、長さを約１０ｍ以上のものとしている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
先後端口（１ａ、１ｂ）を設けた圧力容器（１）内に液体を密封状態に保つと共に、前記圧力容器（１）およびこの圧力容器（１）内に密封された液体を同時に加熱または冷却し、これらの熱膨張率の差によって先後端口（１ａ、１ｂ）から送液するようにしたことを特徴とする液体ポンプ。
【請求項２】
前記圧力容器（１）を熱伝導性の良いものとし、この圧力容器（１）を加熱、冷却槽（３）に入れることにより、圧力容器（１）およびこの圧力容器（１）内に密封された液体を同時に加熱または冷却するようにしたことを特徴とする請求項１記載の液体ポンプ。
【請求項３】
前記圧力容器（１）を電圧の印加により発熱するものとし、この圧力容器（１）に電圧を印加することにより、圧力容器（１）およびこの圧力容器（１）内に密封された液体を同時に加熱するようにしたことを特徴とする請求項１記載の液体ポンプ。
【請求項４】
前記圧力容器（１）を長尺状のチューブとし、このチューブの内径を約０．５ｍｍ以下のものとし、長さを約１０ｍ以上のものとしたことを特徴とする請求項１記載の液体ポンプ。
【請求項５】
前記加熱、冷却槽（３）を空気浴槽または液体浴槽としたことを特徴とする請求項２記載の液体ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、液体の少量供給を必要とする分野、例えば液体クロマトグラフ、化学反応マイクロシステム（マイクロトータルアナリシスシステム）におけるチップへの試料の供給、９６ウエルプレートなどへの試薬の供給などに用いられる液体ポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液体を少量供給する方法としては、古くから使用されているマイクロピペットにより手動で行われている。マイクロピペットの操作の自動化は、オートマチックディスペンサーにおいて実施されている。また、多数のサンプルの集積として９６ウエルプレートがあり、このプレートへの分注作業にはマイクロ分注器が用いられているが、マイクロ分注器における液体の連続的な供給にはシリンダー型液体ポンプの作動による送液を用いている。また、従来汎用されている液体クロマトグラフ用ポンプは、プランジャーやシリンダーの往復運動を用いたものがある。
【０００３】
これらの液体ポンプでは、モータとカムを用いた機械的な駆動部を必要とし、またプランジャーの機密性を確保するための精密な工作と、プランジャーを収めている管壁との摩擦熱の発生に耐える部材の選択が必要となり、また送液を連続的に行うための弁の工夫や脈流の防止のための液溜めが必要となっていた。
【０００４】
そこで、プランジャーの往復運動をさせる駆動部として、従来のモータとカムを用いた機械的な駆動部でなく、ベローズ内に閉じ込めた液体の熱膨張あるいは収縮により発生するベローズの伸びを駆動部とするものが発案された。すなわち、この液体ポンプは、図６に示すように、中空内部に膨張収縮液２５を封入した液収容部２１と、この液収容部２１内の液の熱膨張収縮に対応して直線方向に往復運動する駆動部２２と、この駆動部２２の往復動作によって吸排液するポンプ機構部２４と、液収容部２１の加熱と冷却を交互に行わせる加熱冷却手段２３を備えたものとしており、前記駆動部２２を液収容部２１に連通させた蛇腹状のベローズ２６とし、前記ポンプ機構部２４をシリンダー２７とこのシリンダー２７内を往復移動するプランジャー２８とを有するものとしている（特許文献１）。
【０００５】
さらに、この種の液体ポンプには、プランジャーやシリンダーの往復運動を用いることなく、伸縮する隔膜に弁の機能をもたせ、これを３個以上、連続的に設置することにより送液を行うものが存在する。すなわち、この液体ポンプは、図７に示すように、外部刺激で柔軟に伸縮する隔膜３１を有した隔室３２と、前記隔室をある距離をおいて互いに隣接した複数の隔室群と、前記隔室群の隔膜面を覆うように構成された筒状の空間を有し、前記空間内で隔膜が伸びた第一状態の時に、前記隔膜に対向する面に接する構造を有し、前記隔室群の隔膜を順次伸縮動作させることで、前記筒状空間の一端からもう一端に微量の流量で送液することを特徴とする微量送液装置を少なくとも３台有したものとしている（特許文献２）。
【０００６】
また、この種の液体ポンプには、静電駆動型ダイヤフラムポンプの送液時のダイヤフラム変形による送液が提案されている。すなわち、この液体ポンプは、図８に示すように、送液室４１と、前記送液室４１の入口側に第１の流体抵抗手段４２を、出口側に第２の流体抵抗手段４３を設け、前記送液室４１の少なくとも１面が可変可能なダイヤグラム４４と、前記ダイヤグラム４４を可変する駆動手段とを備え、前記ダイヤグラム４４を駆動することによって、前記送液室に前記入口側から流体を吸引し、かつ出口側から吐出させる構成としており、前記駆動手段が、電気的に絶縁された固定電極４５と、可動電極４６と、前記可動電極４６に設けた加圧部材４７からなり、前記固定電極４５と可動電極４６との間に電力を供給したときに、前記加圧部材４７が前記ダイヤフラム４４を変形し、前記送液室を圧縮して送液室の液体を吐出する構成としている（特許文献３）。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−３７１９５５号公報（第２頁、図１）
【特許文献２】
特開２００２−３１１００７号公報（第２頁、図２）
【特許文献３】
特開平１１−８２３０９号公報（第２頁、図１）
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の液体ポンプは、シリンダー内におけるプランジャーの往復運動に機械的な駆動部を用いており、精密な工作が必要であるためコストが高くつくという問題点を有していた。
【０００９】
さらに、上記従来の液体ポンプにおいては、機械的な駆動部やシリンダー内から騒音が発生するという問題点を有していた。液体ポンプを医療機器に装着した際の騒音の発生は、医療現場での患者への生理的な負荷や医療行為への障害が生じることがあった。また、騒音に非常に注意を払う必要のある音響関係の現場においても、騒音のない液体ポンプが望まれていた。
【００１０】
また、上記従来の液体ポンプにおいて、ベローズ内に閉じ込めた液体の熱膨張あるいは収縮により発生するベローズの伸びを駆動部とするものでは、液体の熱膨張係数が非常に小さく駆動力を得るために液体の量を多くする必要があり、そのため液体ポンプが大型になるという問題点を有していた。
【００１１】
さらに、上記従来の液体ポンプにおいて、伸縮する隔膜に弁の機能をもたせ、これを３個以上、連続的に設置することにより送液を行うものでは、機構が複雑なものになると共に隔膜に劣化が生じる虞れがあり、耐久性に劣るという問題点を有していた。
【００１２】
また、上記従来の何れの液体ポンプにおいても、機械的駆動部の発熱や脈流の発生により、マイクロリットル単位、あるいはナノリットル単位の極微量の液体の送液が困難であるという問題点を有していた。
【００１３】
そこで、この発明は、上記従来の問題点を解決することをその課題としており、非常に簡便な機構を有し、しかも製造に必要な部品数を少なくして、コストパフォーマンスが高いものとすると共に小型化が可能なものとし、またポンプ流の制御が簡便に行え、作動中に騒音がまったく発生せず、しかもマイクロリットル単位、さらにはナノリットル単位の極微量の液体の送液も簡単に行うことのできる液体ポンプを提供することを目的としてなされたものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
そのため、この発明の請求項１記載の液体ポンプは、先後端口１ａ、１ｂを設けた圧力容器１内に液体を密封状態に保つと共に、前記圧力容器１およびこの圧力容器１内に密封された液体を同時に加熱または冷却し、これらの熱膨張率の差によって先後端口１ａ、１ｂから送液するようにしている。
【００１５】
さらに、この発明の請求項２記載の液体ポンプは、前記圧力容器１を熱伝導性の良いものとし、この圧力容器１を加熱、冷却槽３に入れることにより、圧力容器１およびこの圧力容器１内に密封された液体を同時に加熱または冷却するものとしている。
【００１６】
さらに、この発明の請求項３記載の液体ポンプは、前記圧力容器１を電圧の印加により発熱するものとし、この圧力容器１に電圧を印加することにより、圧力容器１およびこの圧力容器１内に密封された液体を同時に加熱するものとしている。
【００１７】
さらに、この発明の請求項４記載の液体ポンプは、前記圧力容器１を長尺状のチューブとし、このチューブの内径を約０．５ｍｍ以下のものとし、長さを約１０ｍ以上のものとしている。
【００１８】
さらに、この発明の請求項５記載の液体ポンプは、前記加熱、冷却槽３を空気浴槽または液体浴槽としている。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の液体ポンプの実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。
【００２０】
この発明の液体ポンプは、図１、２に示したように、先後端口１ａ、１ｂを設けた圧力容器１内に液体（図示せず）を密封状態に保つと共に、前記圧力容器１およびこの圧力容器１内に密封された液体を同時に加熱または冷却し、これらの熱膨張率の差によって先後端口１ａ、１ｂから送液するようにしている。
【００２１】
すなわち、前記圧力容器１およびこの圧力容器１内に密封された液体を同時に加熱または冷却することにより、液体の熱膨張により圧力容器内に圧力が生じ、液体に圧力差流としての流れが生じ、この液体が先後端口１ａ、１ｂから吐出あるいは吸入される。液体の熱膨張率が圧力容器１の熱膨張率よりも高い場合には、加熱に伴って圧力容器１内が加圧され、液体が後端口１ｂから吐出され、加熱の停止による自然冷却もしくは冷却器による強制冷却により圧力容器１内が減圧され、液体が先端口１ａから吸入される。
【００２２】
前記先後端口１ａ、１ｂには密栓２をし、圧力容器１内の液体を密封状態に保っている。
【００２３】
前記圧力容器１は、長尺状のチューブとするのが好ましく、金属チューブ、合成樹脂チューブなどとすることができるが、熱伝導性に優れたものとするのが好ましい。金属チューブは、合成樹脂チューブに比べ一般的に熱伝導性に優れているので、その選択が特に問題になることは少ないが、合成樹脂チューブとした場合には、その種類によって熱伝導性に相当に違いがでる場合があるので、その選択は重要なものとなる。金属チューブとしては、ステンレスチューブ、鉄チューブ、銅チューブ、真鍮チューブ、チタンチューブなどが使用される。合成樹脂チューブとしては、ポリエチレンチューブ、塩化ビニール樹脂チューブ、ナイロンチューブ、フッ素樹脂チューブなどが使用され、なかでもポリエチレンチューブが熱伝導性に優れており好ましいといえる。また、前記圧力容器１の熱膨張率については、この圧力容器１内に密封状態に保たれる液体との組み合わせによって決められるものであり、熱膨張率が高いものであっても低いものであっても、特に問題とはならない。なお、前記圧力容器１を金属チューブとした場合は、その熱膨張率が液体の熱膨張率より高くなることはないが、前記圧力容器１を合成樹脂チューブとした場合は、その熱膨張率が液体の熱膨張率より高くなることもある。したがって、前記圧力容器１を金属チューブとするか、合成樹脂チューブとするかは、圧力容器１およびこの圧力容器１に密封された液体を加熱するか冷却するかによったり、液体を送液する方向（液体を圧力容器１の先後端口１ａ、１ｂの何れから吐出または吸入するか）などによって、好ましい方が選択される。
【００２４】
さらに、前記圧力容器１は、液体の流路、すなわちチューブの内径を非常に小さくすると共に、チューブの長さを非常に長くすることにより、ナノリットル単位、あるいはマイクロリットル単位の極微量の液体の送液も簡単に行うことができる。図に示した圧力容器１では、チューブの内径を約０．５ｍｍ以下のものとし、長さを約１０ｍ以上のものにすることにより、ナノリットル単位、あるいはマイクロリットル単位の極微量の液体の送液が可能となった。
【００２５】
前記圧力容器１を熱伝導性の良いものとした場合には、図１に示したように、この圧力容器１を加熱、冷却槽３に入れることにより、圧力容器１およびこの圧力容器１内に密封された液体を同時に加熱または冷却することができる。また、前記圧力容器１を金属チューブなどの導電性部材とした場合には、電圧の印加により発熱するものとすることができる。すなわち、前記圧力容器１を電圧の印加により発熱するものとした場合には、図２に示したように、圧力容器１を三脚４に支持された絶縁体５に巻き付け、この圧力容器１に保温カバー６を被せてこの保温カバー６内の雰囲気を一定に保ち、電源Ｐから電力を供給して、圧力容器１に電圧を印加することにより、圧力容器１およびこの圧力容器１内に密封された液体を同時に加熱することができる。この場合、圧力容器１の加熱または冷却の温度域は、この圧力容器１内に密封された液体の融点より高い温度と、その液体の沸点より低い温度の間であれば可能であるといえる。しかし、圧力容器１の加熱または冷却の温度域は、その液体の融点と沸点の中間域の数十度程度の温度差の温度域とするのが、脈流などが発生せず、安定した状態で送液することができるものとなる。
【００２６】
前記液体は、メタノール、エチレングリコールなどのアルコール類、ジエチルエーテル、イソプロピルエーテルなどのエーテル類、アセトン、エチルメチルケトンなどのケトン類、ノルマルヘキサン、イソヘキサンなどのパラフィン類、シクロヘキサンなどのナフテン類、ベンゼン、トルエン、キシレンなどの芳香族類、水などを例示することができるが、特に限定されることはない。また、前記液体の熱膨張率についても、前記圧力容器１との組み合わせによって決められるものであり、熱膨張率が高いものであっても低いものであっても、特に問題とはならないが、送液量を多くしたい場合には、熱膨張率の高い液体とするのが好ましい。例示したなかでは、メタノール、ジエチルエーテル、アセトン、ベンゼンなどが、熱膨張率が高く好ましい。
【００２７】
前記加熱、冷却槽３は、空気浴槽または液体浴槽とすることができ、熱源としてはシースヒータなどが用いられるが、ペルチェ素子を用いたものとすれば、加熱、冷却が行い易く、また温度制御がし易いものとなる。
【００２８】
なお、図３に示したように、この発明の液体ポンプの圧力容器１の後端口１ｂに圧力ゲージなどの圧力指示器７を取り付けて、圧力容器１の温度変化による内圧を計測したところ、その内圧は５０°Ｃにおいて２１．６×１０５  Ｐａ、６０°Ｃにおいて３５．３×１０５  Ｐａ、７０°Ｃにおいて５３．１×１０５  Ｐａ、８０°Ｃにおいて６６．６×１０５  Ｐａであった。この場合、圧力容器１としては、内径が約０．５ｍｍで、長さが約１０ｍのステンレス製コイルチューブを用い、液体としてはエチレングリコールを用いた。
【００２９】
さらに、図４に示したように、この発明の液体ポンプの後端口１ｂに継手８を取り付け、この継手８にメタノールを密封保持したＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂）チューブ（０．８ＩＤ×４５０ｍｍ）９を連結し、このＰＥＥＫチューブ９の先端にインジェクションバルブ１０を介して、ＨＰＬＣ用ＯＤＳカラム（０．３２ＩＤ×１５０ｍｍ）１１を連結し、さらにこのＯＤＳカラム１１の先端にＵＶ検出器１２を連結し、液体クロマトグラフを実施した。
【００３０】
また、図５に示したように、この発明の液体ポンプの後端口１ｂに継手８を取り付け、この継手８にメタノールを密封保持したＰＥＥＫチューブ（０．８ＩＤ×４５０ｍｍ）９を連結し、このＰＥＥＫチューブ９の先端にインジェクションバルブ１０を介して、ＨＰＬＣ用ＯＤＳカラム（０．３２ＩＤ×１５０ｍｍ）１１を連結し、さらにこのＯＤＳカラム１１の先端にＵＶ検出器１２を連結し、液体クロマトグラフを実施した。
【００３１】
その結果、図４、図５の何れの場合においても、前記ＵＶ検出器１２によって良好な検出結果が得られたので、この発明の液体ポンプによる極微量の液体の送液が確認された。なお、圧力容器１としては、図４に示したものでは内径が約０．５ｍｍで、長さが約１０ｍのステンレス製コイルチューブを用い、図５に示したものでは内径が約０．８ｍｍで、長さが約１０ｍのステンレス製コイルチューブを用いた。また、液体としては、図４に示したものではエチレングリコールを用い、図５に示したものではメタノールを用いた。
【００３２】
【発明の効果】
この発明の液体ポンプは、以上に述べたように構成されており、非常に簡便な機構を有し、しかも製造に必要な部品数を少なくしたので、コストパフォーマンスが高いものとなると共に小型化が可能なものとなる。
【００３３】
また、この発明の液体ポンプは、圧力容器の加熱または冷却によって、ポンプ流の制御が簡便に行えるものとなる。
【００３４】
さらに、この発明の液体ポンプは、圧力容器を加熱または冷却するだけであるので、作動中に騒音がまったく発生しないものとなる。
【００３５】
しかも、この発明の液体ポンプは、圧力容器の液体の流路の径を非常に小さくすることにより、マイクロリットル単位、さらにはナノリットル単位の極微量の液体の送液も簡単に行うことができるものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の液体ポンプの一実施形態を示す要部断面図である。
【図２】この発明の液体ポンプの他の実施形態を示す要部断面図である。
【図３】図１に示すこの発明の液体ポンプに圧力指示器を取り付けた状態を示す説明図である。
【図４】図１に示すこの発明の液体ポンプを用いた液体クロマトグラフ装置の概略説明図である。
【図５】図２に示すこの発明の液体ポンプを用いた液体クロマトグラフ装置の概略説明図である。
【図６】従来の液体ポンプの一例を示す断面図である。
【図７】従来の液体ポンプの他の例を示す説明図である。
【図８】従来の液体ポンプのさらに他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
１  圧力容器
１ａ  先端口
１ｂ  後端口
３  加熱、冷却槽
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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