JP7357334B2 - 撹拌装置 - Google Patents

Description

この発明は、容器内に注入した液体や気体等の流体を撹拌用磁石を回転させて撹拌する撹拌装置に関するものである。

生化学、薬学、農芸化学等の研究室、検査室、試験室等においては、容器内に注入した液体に光を照射し、その光による液体内の微生物の変化や、化学物質の反応等を測定する場合、前記液体を撹拌する場合がある。
その撹拌装置として、液体を注入した容器を収納する筒状ケーシングと、前記容器内に装填されて回転することにより前記液体を撹拌する撹拌子と、前記容器の真下に位置して前記撹拌子を磁力で回転駆動する撹拌子駆動部と、前記容器内の液体に光を照射するＬＥＤと、を備える装置がある（特許文献１、２）。

特開平１－１２３１３３号公報 特開２００５－２５４０７３号公報

上記の撹拌装置において、ＬＥＤといっても、少なからず発熱する。その発熱は試料に悪影響を少なからず与えるが、従来ではその冷却手段は講じられていない。また、ＬＥＤは容器の底面近くに設置され（特許文献２、図１符号１７参照）、そのＬＥＤからの光が容器内の液体（試料）の全域に至らない場合がある、という問題もあった。

この発明は、このような実情の下、上記発熱による影響を抑えるとともに容器内の流体に光を満遍無く至るようにすることを課題とする。

上記課題を達成するため、この発明は、流体（試料）を注入した容器を収納する熱高伝導部材からなる筒状ケーシングと、前記容器内に装填されて回転することにより前記流体を撹拌する撹拌子と、前記容器の真下に位置して前記撹拌子を磁力で回転駆動する撹拌子駆動部と、前記容器内の流体に光を照射するＬＥＤ（発光ダイオード）と、を備える撹拌装置であって、前記撹拌子駆動部上の熱高伝導部材からなる基台に前記ケーシングの複数を同一円周上に設置自在とするとともに、その各設置状態において、前記撹拌子駆動部の駆動磁石の旋回軌道上に前記撹拌子が位置し、前記ケーシング内の容器の周り等間隔に前記ＬＥＤを有するＬＥＤ駆動基板を設け、その基板には冷却機能を付設した構成を採用したのである。

この構成の撹拌装置は、容器内に試料となる流体を注入し、その容器をケーシングに収納してそのケーシングを撹拌子駆動部の基台に設置する。この状態において、撹拌子駆動部を駆動すると、その駆動磁石の旋回軌道上に上記撹拌子が位置するため、前記駆動磁石からの磁力によって撹拌子がその中心（重心）でもって容器内で回転し、試料を撹拌するとともに、ＬＥＤからの光によって試料が照射されて、撹拌及び光の照射による試料の変化を測定する。

このとき、上記撹拌子駆動部上の基台にケーシングの複数を同一円周上に設置自在としたので、各ケーシングにおけるＬＥＤの波長（発光光等）を変えたり、試料の種類を変えたりすれば、各ケーシングにおいて、異なる試料や波長のＬＥＤの光による試料の変化の測定をすることができる。すなわち、この構成の一台の撹拌装置でもって、複数の流体（試料）や異なる波長の光の検査を行うことができる。
また、前記ＬＥＤを容器の周り及び基板の長さ方向（上下方向）に複数設ければ、その光照射範囲も周囲及び上方に広くなり、試験管のように、細長の容器に試料を注入した場合には、その試料に満遍無く光照射することができる。ＬＥＤの周囲及び上下方向の数は、試料全体の光照射が行われるように実験等によって適宜に設定する。

さらに、ＬＥＤも少なからず発熱するが、そのＬＥＤの基板には冷却機能を付設したので、その発熱によるＬＥＤの昇温を抑制することができる。このため、ＬＥＤの昇温（発熱）による試料の測定に影響を与えることが極めて少ない。

上記冷却機能は、種々の手段で得ることができるが、例えば、ペルチェ素子によることができる。
ペルチェ素子は、直流電流を流すと、素子の両面に温度差が発生し、低温側で吸熱、高温側で発熱が起こり、ペルチェ素子の低温側から高温側へと熱を押し上げる。即ち、ヒートポンプの役目をする。このとき、電流の極性を変えると、ポンピングする熱の方向を変え、また与える電流の大きさを変えることで、ポンピングされる熱量の大きさを変えることができる。これをペルチェ効果といい、冷却・加熱・温度制御をごく簡単に行える。

この発明は、以上のように構成したので、一台の撹拌装置でもって、ＬＥＤの波長（発光光）を変えたり、試料の種類を変えたりの検査を円滑に行うことができるとともに、ＬＥＤによる発熱の試料に与える悪影響を極力なくすことができる。

この発明に係る撹拌装置の一実施形態の一部切断正面図 同実施形態の平面図 同実施形態の一部除去平面図 図３の切断正面図 同実施形態のケーシングの分解斜視図 同ケーシングの底板部を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は右側面図、（ｃ）は正面図 同実施形態のケーシングを示し、（ａ）は蓋等を除去した切断正面図、（ｂ）は同切断平面図 同実施形態の作用説明図

この発明に係る撹拌装置の一実施形態を図１～図８に示し、この撹拌装置Ａは、スターラー(Ｓｔｉｒｒｅｒ)と称される装置であって、磁力を利用して撹拌子を回転させて容器内の液体からなる試料を撹拌する、長時間一定の速度で自動的に試料を撹拌することができ、実験室で試料の混合を行う際や化学反応実験でよく用いられ、例えば、光照射による光触媒反応装置等とすることもできる。

この実施形態の撹拌装置Ａは、スターラーと同様に、液体からなる試料ａを注入した容器（ガラス製試験管）Ｓを収納する筒状ケーシング１０と、前記容器Ｓ内に装填されて回転することにより前記試料ａを撹拌する撹拌子（スターラーバー：Ｓｔｉｒ ｂａｒ）２０と、前記容器Ｓの真下に位置して前記撹拌子２０を磁力で回転駆動する撹拌子駆動部３０と、前記容器Ｓ内の試料ａに光を照射するＬＥＤ４０と、そのＬＥＤを冷却する冷却機能部とからなる。

ケーシング１０は、図５に示すように、底板１１と、左右の側板１２、１２と、前後の側板１３、１３と、蓋板１４とからなり、それらはアルミニウム等の熱伝導性の高いもの（熱高伝導部材）を採用する。この実施形態では、アルミニウム製とした。
底板１１は、四角状ベース板１１ａの上に膨出した四角状支持部１１ｂを設けた四角状を呈し、その支持部１１ｂの４辺のそれぞれの中央に四角状切り込み１１ｃが形成されている。左右の側板１２もベース板１２ａの上に膨出した支持部１２ｂを有する四角状を呈する。底板１１のベース板１１ａと支持部１１ｂ、側板１２のベース板１２ａと支持部１２ｂは一体成形のものでもよいが、それぞれ別部材で構成して、ビス止めや接着などによって一体化したものとし得る。

底板１１の上面中央には、容器Ｓの底部が入り込む円球面状凹部１５が形成され、蓋板１４の中央にも容器Ｓが貫通する円状支持孔１６が形成されている。その蓋板１４の支持孔１６にはテフロン（登録商標）ゴム製の保持輪１７が嵌め込み可能となっている。このため、容器Ｓにこの保持輪１７を嵌めて、支持孔１６に挿通したり、支持孔１６に保持輪１７を嵌めた後、その保持輪１７を介在して容器Ｓを支持孔１６に挿通したりして、凹部１５に容器Ｓの底部を嵌めることによって、ケーシング１０に容器Ｓを支持（収納）する。

撹拌子２０は、両端部がＳ極とＮ極の長尺状（棒状）永久磁石をテフロン（登録商標）で覆った（コーティングした）もので、容器Ｓに入れて回転させて試料ａを撹拌する。撹拌子２０の形状は、棒状に限らず、細長い繭状のもの、八角棒状のもの、風車の羽根状のものなどを採用でき、撹拌効率・負荷量などの用途によって使い分ける。撹拌子２０に永久磁石を使用すると、高粘性の試料ａの撹拌に適するものとなる。
因みに、その撹拌子２０の保管用容器は、鉄分を含んでいない、ＳＵＳ３０４、同３１６等のステンレスを使用することが好ましい。テフロンコーティングは非粘着性、耐熱性、耐摩耗性、耐薬品性の向上を目的とする。

ケーシング１０の底板１１の切り込み１１ｃの内壁には、ＬＥＤ４０を有する長方形基板４１が上下方向を長くしてビス止めされている。この基板４１にはＬＥＤ４０の駆動回路が構成されて、外部からリード線（電線）４２等によって電源が供給可能となっている。基板４１の周方向の数・配置やＬＥＤ４０の数・配置は、容器Ｓ内の試料ａを満遍無く照射するように実験等によって適宜に設定する。

ＬＥＤ４０は、実験の種類に応じて、種々の光を照射することができるように、種々のＬＥＤを採用する。上記各リード線４２を接続切り替え可能な接続端子（図示せず）を介して下記筐体３１内のコントローラ部からのリード線（図示せず）に適宜に接続変えすることができる。

各ケーシング１０には、実験の種類に応じて、種々の光（種々の波長の光）を照射することができるように、種々のＬＥＤを採用し（発光色の異なるＬＥＤをそれぞれ設け）、その各波長の光を発するＬＥＤ４０を有するケーシング１０を支持板５０に設置する。この実施形態においては、青、赤、黄、ＵＶ（紫外線：ｕｌｔｒａｖｉｏｌｅｔ）の各光を照射できるものを採用した。

ここで、ＵＶは、波長が１０～４００ｎｍ、即ち可視光線（青、赤、黄等の可視光線）より短く軟Ｘ線より長い不可視光線の電磁波であり、その波長による分類として、波長：３８０～２００ｎｍの近紫外線(near ＵＶ)、波長：２００～１０ｎｍ の遠紫外線もしくは真空紫外線（far ＵＶ（ＦＵＶ) もしくは vacuum ＵＶ）、波長 １２１～１０ nmの極紫外線もしくは極端紫外線(extreme ＵＶ、ＥＵＶｏｒＸＵＶ)に分けられる。
さらに、近紫外線は、ＵＶ－Ａ（波長：３１５～３８０nm）、ＵＶ－Ｂ（波長 ：２８０～３１５nm）、ＵＶ－Ｃ（波長： ２００～２８０nm）に分けられ、ＵＶ－Ａは、皮膚の真皮層に作用し蛋白質を変性させたり、皮膚の弾性を失わせ老化を促進させたりし、細胞の物質交代の進行に関係し、細胞の機能を活性化させる。また、ＵＶ－Ｂによって生成されたメラニン色素を酸化させて褐色に変化させる。
ＵＶ－Ｂは、表皮層に作用するが、色素細胞がメラニンを生成し防御反応を取る。これがいわゆる日焼けである。この際ビタミンＤを生成する。
ＵＶ－Ｃは、強い殺菌作用があり、生体に対する破壊性が強い。ハロン系物質によりオゾン層が破壊されると、地表に到達して生物相に影響が出ることが懸念されている。
このように、ＵＶは、種々の波長があり、それらはそれぞれ、試料ａに対する作用が異なり、その波長に対する電流値が異なるため、この実施形態では、それらに対応する４つのスイッチＵＶ１、ＵＶ２、ＵＶ３、ＵＶ４を設けている。その４つは、上記near ＵＶ、far ＵＶ、extreme ＵＶ、ＵＶ－Ａ、ＵＶ－Ｂ、ＵＶ－Ｃ等から適宜に選択する。

図１中、スイッチ３５における１、２、３、４は下記凹部５２に対応する番号であり、この実施形態においては、平面視、右回りに１、２、３、４とした。３５は上記凹部５２_１、５２_２、５２_３、５３_４に対応する電源：ＯＮ、ＯＦＦスイッチであり、３６は、ＵＶ発光用ＬＥＤ４０のＯＮ・ＯＦＦスイッチであり、そのスイッチ３６におけるＵＶ_１、ＵＶ_２、ＵＶ_３、ＵＶ_４は、ＵＶの４段階の波長に対応する凹部５２_１、５２_２、５２_３，５３_４に対応する電源：ＯＮ、ＯＦＦスイッチである。また、３２ａは電源の有無の表示ランプ、３４はケーシング１０内の温度表示盤（以下、「コントロール部」ともいう）、３４ａはその表示のＯＮ・ＯＦＦスイッチ（電磁式スイッチ）である。

撹拌子駆動部３０は、有底の四角状筐体３１内にコントローラ部（図示せず）とともに組み込まれ、その筐体３１の上面に磁力を通す材料からなる天板３１ａを有し、その筐体３１の中に、撹拌子２０の回転機構が組み込まれている。以下、撹拌子駆動部を回転機構３０とも言う。
回転機構３０は、特許文献１第２頁下右欄第５行以降、第１図～第３図、特許文献２段落００５６～同００５８、図１～図４）等で示される周知の構成であって、この実施形態においては、モータで回転される円盤上にその回転中心周りの同一円周上に、駆動磁石となるＮ極、Ｓ極、Ｎ極、Ｓ極、・・を交互に配置し、その駆動磁石の旋回軌道上に上記撹拌子２０の磁場の中心と重心が位置するようにする。このため、旋回する駆動磁石からの磁力によって撹拌子２０がその中心（重心）でもって容器Ｓ内で回転し、試料ａを撹拌する。駆動磁石の数は、撹拌子２０の撹拌速度等を考慮して実験などによって適宜に設定する。この実施形態において、筐体３１前面の摘み（速度調整スイッチ）３３を回すことによってその回転速度が調整可能となっている。防爆性を要求されるものでは、空気圧で動作するモータを使用する。

天板３１ａは、プラスチックや非磁性金属製のものを採用できるが、化学薬品に対する耐性を意識してセラミックや耐蝕合金を用いることができる。また、万一の薬品漏洩時に備えて、試料が周囲に流れ出さないように縁（土手）をつけることができる。この実施形態においては、天板３１ａをベークライト製とした。

天板３１ａ上にはアルミニウム製等の熱高伝導性の肉厚の支持板（基台）５０を設けている。この支持板５０は図３に示す円周上４等分位に伸びる腕部５１を有する平面形状をしており、その腕部５１に上記ケーシング１０を嵌める凹部５２が形成されている。この腕部５１の数は、４等分位に限らず、３等分位、５等分位等と任意である。
腕部５１を支持板５０の中央部から放射状としたのは、支持板５０の冷却面積（体積）を少なくして腕部５１が円滑に冷却されるようにするためである。また、天板３１ａを絶縁性（断熱性）の高いベークライト製としてその天板３１ａに熱伝導がされないようにしているため、全体の冷却面積（体積）が少なくなって（ほぼ支持板５０のみ）、冷却効率を上げている。

各腕部５１の中心部には、ペルチェ素子の埋め込み部（以下、「ペルチェ素子」とも適宜にいう）５３が形成されており、ペルチェ素子に電源を供給すると、埋め込み部５３が冷却される。埋め込み部５３の上面には冷却部５４が形成され、その冷却部５４は、図２に示すように、種々の冷却翼５５が設けられている（図２参照）。このため、ペルチェ素子から発した熱はこの冷却部５４から放熱され、支持板５０が加熱されることはない。

コントロール部３４は、図１に示す、電源スイッチ３２等による電源の管理、速度調整スイッチ３３によるモータの回転速度調整を行う。
このコントロール部３４は、リレー(電磁式スイッチ３４a)を利用して、一度入力された信号を解除信号があるまで保持する回路を有している。さらに、オートチューニング機能（Ｐ．Ｉ．Ｄ値を自動演算し設定する機能）を有し、この機能は、Ｐ(比例動作）測定範囲に対して調節出力の変化する割合(％)を設定すると、Ｉ(積分時間)比例帯で生じるオフセット(定常偏差)を修正し、Ｄ(微分時間)調節出力の変化を予測し、積分によるオーバーシュートを抑え、制御の安定性を向上させる。
さらに、フィードバック制御により、モータの回転数を一定に保ち、回転変動をセンサーで検知して電圧を制御する。

なお、上記各部品を構成するアルミニウム部品には、アルマイト処理を行って耐食性、耐摩耗性の向上を図ることが好ましい。

この実施形態の撹拌装置Ａは以上の構成であり、まず、各容器Ｓに試料ａを入れるとともに撹拌子２０を装填し、その容器Ｓをケーシング１０に嵌めて、図１に示すように、支持板５０（天板３１ａ）に各ケーシング１０を載置する。このとき、試料ａの測定する内容に応じて、そのケーシング１０のＬＥＤ４０の発する色、例えば、赤、緑又はＵＶ（波長）を選択してそのＬＥＤ４０を有するケーシング１０に当該容器Ｓを収納して凹部５２に嵌める。

この状態において、スイッチ３５、３６により、各ケーシング１０のＬＥＤ（光源）４０の光（波長）を選択するとともに、撹拌子２０の回転機構３０を駆動する（電源を入れる）。
すると、回転機構３０により、各容器Ｓの撹拌子２０が回転して試料ａが撹拌される。この状態で、各種の光が照射されるとともに、撹拌される試料ａの性状等を観測して種々の測定を行う。例えば、この波長の異なる光を照射してその光に応じた反応、例えば光触媒の作用効果等を観測（測定）する。

このとき、この実施形態では、ペルチェ素子５３によって支持板５０が冷却され、それに伴ってその支持板５０を介してケーシング１０も冷却されるため、ケーシング１０内は昇温しない。すなわち、ＬＥＤ４０の発熱が吸収されて容器Ｓが昇温することが防止される。
また、ＬＥＤ４０を容器（試験管）Ｓの周り及び基板４１の長さ方向（上下方向）に複数（２個）設けたので、図８に示すように、そのＬＥＤ４０からの光ｃの照射範囲も周囲及び上方に広くなり、試験管Ｓのように、その細長の容器Ｓ内に高く（例えば、鎖線位置まで）注入された試料ａを満遍無く光照射する。

上記実施形態において、支持板５０の冷却は、冷凍機からの冷媒をケーシング１０（凹部５２）の周りに循環させてもよい。また、撹拌効率を上げるために超音波発生器を組み込むこともできる。さらに、ケーシング１０に一の波長のＬＥＤ４０を設けず、種々の波長のＬＥＤ４０を設けて、それらに個別に電源を供給するようにすることもできる。容器Ｓは試験管に限らず、ビーカー等の種々の試験用容器を採用できることは勿論である。試料は、液体に限らず、気体や可能であれば、プラズマ等の試料とすることもできる。
このように、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１０ ケーシング
２０ 撹拌子
３０ 撹拌子駆動部
４０ ＬＥＤ（光源）
４１ ＬＥＤ駆動基板
５０ ケーシング支持板（基台）
５１ 支持板の腕部
５２、５２_１、５２_２、５２_３、５２_４ ケーシング設置孔（凹部）
５３ ペルチェ素子（冷却機能）
Ａ 撹拌装置
Ｓ 容器（試験管）
ａ 流体（試料）
ｃ 光

Claims (3)

1. 流体（ａ）を注入した容器（Ｓ）を収納するアルミニウム製の筒状ケーシング（１０）と、前記容器（Ｓ）内に装填されて回転することにより前記流体（ａ）を撹拌する撹拌子（２０）と、前記容器（Ｓ）の真下に位置して前記撹拌子（２０）を磁力で回転駆動する撹拌子駆動部（３０）と、前記容器（Ｓ）内の流体（ａ）に光（ｃ）を照射するＬＥＤ（４０）と、を備える撹拌装置（Ａ）であって、
   上記撹拌子駆動部（３０）上のアルミニウム製の基台（５０）に上記ケーシング（１０）の複数を同一円周上に設置自在とするとともに、その各設置状態において、上記撹拌子駆動部（３０）の駆動磁石の旋回軌道上に上記撹拌子（２０）が位置し、
   上記ケーシング（１０）内の容器（Ｓ）の周り等間隔に上記ＬＥＤ（４０）を有するＬＥＤ駆動基板（４１）を設け、その基板（４１）には冷却機能を付設した撹拌装置。
2. 上記基台（５０）上に上記ケーシング（１０）の複数を同一円周上に設置するその円周の内側に上記冷却機能を発揮するペルチェ素子（５３）を設けた請求項１に記載の撹拌装置。
3. 上記ＬＥＤ（４０）を基板（４１）の長さ方向に複数設けた請求項１又は２に記載の撹拌装置。

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