JP6562052B2 - 冷凍保存システムおよび液体窒素管理方法 - Google Patents

Description

本発明は、底部に液体窒素を貯留するように構成された容器本体と、液体窒素の液相領域上の気相領域の温度を検出する温度センサーと、液相領域の液位を検出する液位センサーと、前記容器本体への液体窒素の供給を開閉制御する給液弁とを有する冷凍保存システムおよび液体窒素管理方法に関するものである。

従来、医学、化学、生化学、生体学、製薬、食品などの基礎研究あるいは応用研究においては、大量の生体サンプル、臨床サンプル、化学合成物などの試料や生成物を保管している。
例えば、創薬研究プロセスにおいても、生体活性等を調査するため、多種多様な検査、実験が行われているが、これらを極低温の安定した環境のもとで保管することが要請されている。
そのため、容器底部の液相領域に貯留した液体窒素により極低温（一般に、約−１５０℃以下）に保持された、液相領域上の気相領域において保存物を凍結保存するように構成された気相式の冷凍保存システムが公知である（特許文献１等参照。）。

特許文献１で公知の冷凍保存システム（気相式凍結保存容器）は、気相領域の温度を検出する温度センサーと液相領域の液位を検出する液位センサーとを設け、液体窒素供給管路から液相領域に導いた給液管路に、温度センサーによる検出気相温度および液位センサーによる検出液位に基づいて開閉制御される給液弁を設け、検出気相温度が設定気相温度を超え且つ検出液位が設定上限液位に達していない場合に、給液弁を開制御して液体窒素の供給により液相領域をバブリングし、その後、検出液位が設定上限液位に達した時点で給液弁を閉制御するようにして、容器内の気相温度の温度を極低温に維持管理している。

特許第４２５６８０３号公報

このような、特許文献１で公知の冷凍保存システム（気相式凍結保存容器）では、液体窒素の液位が上限近くの状態で容器内の温度が上昇した際は、容器内の気相の温度が十分に下がらないまま液体窒素の供給が停止し、気相温度の高い状態が長く続く虞があった。
さらに、液体窒素の液位が低下しても、容器内の温度が上昇しない限り液体窒素が供給されないため、容器内の気相の温度が急激に上昇した際に液体窒素の絶対量が不足して、液体窒素の供給を開始してもすぐには気相の温度が下がらず、気相温度の高い状態が長く続く虞があった。

本発明は、前述したような従来技術の問題を解決するものであって、容器内の気相温度の温度を極低温に維持できるとともに、液体窒素の量を適正に管理するとともに、気相温度の高い状態を少なくすることが可能な冷凍保存システムおよび液体窒素管理方法を提供するものである。

本発明に係る冷凍保存システムは、底部に液体窒素を貯留するように構成された容器本体と、液体窒素の液相領域上の気相領域の温度を検出する温度センサーと、液相領域の液位を検出する液位センサーと、前記容器本体への液体窒素の供給を開閉制御する給液弁とを有する冷凍保存システムであって、前記冷凍保存システムは、液相領域の液位を制御する液位制御部と、気相領域の温度を制御する温度制御部と、インターロック制御部とを有し、前記液位制御部は、前記液位センサーを監視し、液位が下限値に達した時に、前記給液弁を開放するように構成され、前記温度制御部は、前記温度センサーを監視し、気相領域の温度が所定温度以上の時に、所定の時間だけ前記給液弁を開放するように構成され、前記インターロック制御部は、前記液位制御部または前記温度制御部のいずれか一方によって給液弁が開放されている時に、他方による給液弁の開放を禁止するように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。

また、本発明に係る液体窒素管理方法は、底部に液体窒素を貯留するように構成された容器本体と、液体窒素の液相領域上の気相領域の温度を検出する温度センサーと、液相領域の液位を検出する液位センサーと、前記容器本体への液体窒素の供給を開閉制御する給液弁とを有する冷凍保存システムの液体窒素管理方法であって、前記液位センサーを監視し、液位が下限値に達した時に前記給液弁を開放するとともに、前記温度センサーを監視し、気相領域の温度が所定温度以上の時に、所定の時間だけ前記給液弁を開放し、液位センサーの監視で給液弁が開放されている時は、温度センサーの監視を停止し、温度センサーの監視で給液弁が開放されている時は、液位センサーの監視を停止することにより、前記課題を解決するものである。

本請求項１に係る冷凍保存システムおよび本請求項４に係る液体窒素管理方法によれば、液位センサーを監視し、液位が下限値に達した時に給液弁を開放するとともに、温度センサーを監視し、気相領域の温度が所定温度以上の時に、所定の時間だけ給液弁を開放することにより、液位の管理と、温度の管理を、常に独立して同時に行うことが可能となり、温度管理の際には供給量を少なくするとともに、液面の位置にかかわらず最適量を供給することが可能となる。
また、液面の低下による液体窒素の絶対量の不足を防止し、気相温度の高い状態が長く続く状態となることを防止できる。
さらに、インターロック制御部は、液位制御部または温度制御部のいずれか一方によって給液弁が開放されている時に、他方による給液弁の開放を禁止するように構成され、液位センサーの監視で給液弁が開放されている時は、温度センサーの監視を停止し、温度センサーの監視で給液弁が開放されている時は、液位センサーの監視を停止することにより、液位の管理と、温度の管理を独立して同時に行いつつ、両方の管理が競合することがなく、安定した温度、液位の管理が可能となる。

本請求項２および本請求項５に記載の構成によれば、温度センサーの監視で所定の時間だけ給液弁を開放した後、別の所定時間だけ待機した後に、温度センサーの監視を続行することにより、液体窒素の供給から実際に気相の温度が下がるまでのタイムラグの間の余分な液体窒素の供給が抑制され、少ない供給量で最適に管理することが可能となる。
本請求項３および本請求項６に記載の構成によれば、シャッターが開放している場合、給液弁を開放する前に前記シャッターを閉塞することにより、温度上昇の要因を排除した状態で液体窒素の供給ができるため、意図的なバブリングを行うことなく、少ない供給量で最適な温度の管理を行うことが可能となる。

本発明の第１実施形態である冷凍保存システムの説明図。 本発明の第１実施形態である冷凍保存システムの制御ブロック説明図。 本発明の第１実施形態である冷凍保存システムの液体窒素管理のフロー図。

本発明の一実施形態である冷凍保存システムは、図１に簡略的に示すように、底部に貯留した液体窒素により極低温に保持されるように構成され、上面にシャッター１０２を有した容器本体１０１と、容器本体１０１の内部に設けられ、液体窒素の液相領域上の気相領域の温度を検出する温度センサー１２０と、液相領域の液位を検出する液位センサー１３０と、容器本体１０１に液体窒素を供給する供給管路１１０と、供給管路１１０に設けられ、液体窒素の供給を開閉制御する給液弁１１１とを有している。

容器本体１０１底部には液体窒素が供給されて液相領域上の気相領域が極低温（一般に、約−１５０℃以下）に保持され、気相領域に、生体サンプル、臨床サンプル、化学合成物などの保存物が収容されて凍結保存される。
また、温度センサー１２０、液位センサー１３０の入力信号を基に、給液弁１１１が開閉制御され、シャッター１０２は、駆動装置（図示せず）により開閉制御可能であり、また、ハンドリングロボット等の入出庫装置（図示せず）により、シャッター１０２が開状態の時に保存物の自動入出庫が可能なように構成されている。

冷凍保存システム１００は、図２に示すように、少なくとも温度センサー１２０、液位センサー１３０からの信号が入力され、給液弁１１１、シャッター１０２、ロボット等の入出庫装置の制御機構等を制御可能な制御手段を有している。
制御手段は、液体窒素の液位を制御する液位制御部と、気相領域の温度を制御する温度制御部と、液位制御部と温度制御部の動作の競合を防止するインターロック制御部とを有している。
液体窒素の供給の管理は、液位制御部による液面管理フローと、温度制御部による温度管理フローの２つにより、それぞれ独立して同時に並行して行われる。

以上のように構成された冷凍保存システム１００における、液体窒素管理のフローについて説明する。
まず、液位制御部による液面管理フローについて説明する。
図３の左側に示すように、制御がスタートすると、まず、（ａ）で液面上限到達記憶の有無を判断する。
通常は、前回の液面管理フローによる液体窒素供給時に、後述する（ｈ）で液面上限到達記憶が有り（ＯＮ）となっているため、液面上限到達記憶が有り（ＹＥＳ）のルートで、（ｊ）で液面が下限か否かを判断する。
液面が下限でない場合（ＮＯ）は、再び（ｊ）でループして液面が下限か否かを判断し、液面が下限に達する（ＹＥＳ）まで、（ｊ）のループが繰り返される。

液面が下限に達すると、（ｊ）で液面が下限（ＹＥＳ）となり、（ｋ）で液面上限到達記憶をＯＦＦとしてフローのエンドに達し、再びフローがスタートする。
そして（ａ）で液面上限到達記憶の無（ＮＯ）となり、（ｂ）でシャッター１０２が閉じているか否かが判断される。
シャッターが開いている（ＮＯ）場合、（ｃ）で入出庫用のロボットを退避させ、（ｄ）でシャッターを閉じて、（ｅ）に進む。
シャッターを閉じている（ＹＥＳ）場合は、ロボット、シャッターに対する制御は行わずに（ｅ）に進む。

（ｅ）では、後述する温度管理フローにより液体窒素を供給中であるか否かが判断される。
温度管理フローにより液体窒素を供給中ではない（ＮＯ）場合、（ｆ）で液体窒素供給指令が出され、給液弁１１１が開放されて容器本体１０１の内部に液体窒素が供給される。
温度管理フローにより液体窒素を供給中（ＹＥＳ）の場合は、フローのエンドに達し、再びフローがスタートし、温度管理フローによる液体窒素の供給中ではない（ＮＯ）と判断されるまで、ループして待機することとなる。
（ｆ）で液体窒素供給指令が出されると、（ｇ）で液体窒素の液面が上限か否かが判断され、液面が上限でない（ＮＯ）場合は、再び（ｇ）でループし、液面が上限に達する（ＹＥＳ）と、（ｈ）で液面上限到達記憶を有（ＯＮ）の状態として、（ｉ）で液体窒素供給が停止される。
そして、再び（ｊ）で液面が下限か否かを判断し、液面が下限に達する（ＹＥＳ）まで、（ｊ）のループが繰り返される。

次に、温度制御部による温度管理フローについて説明する。
図３の右側に示すように、制御がスタートすると、まず、（ｌ）で温度が設定上限以上か否か判断する。
温度が設定上限以上でない場合（ＮＯ）はフローのエンドに達し、再びフローがスタートして（ｌ）で温度が設定上限以上か否かを判断し、温度が設定上限以上に達する（ＹＥＳ）まで、（ｌ）のループが繰り返される。
温度が設定上限に達すると、（ｌ）で温度が設定上限以上（ＹＥＳ）となり、（ｂ）でシャッター１０２が閉じているか否かが判断される。
シャッターが開いている（ＮＯ）場合、（ｃ）で入出庫用のロボットを退避させ、（ｄ）でシャッターを閉じて、（ｍ）に進む。
シャッターを閉じている（ＹＥＳ）場合は、ロボット、シャッターに対する制御は行わずに（ｍ）に進む。

（ｍ）で温度監視の所定時間が設定され、（ｎ）で再び温度が設定上限以上か否か判断する。
（ｎ）で温度が設定上限以上（ＹＥＳ）の場合、（ｏ）で設定された監視時間が終了しているか否か判断され、監視時間が終了していない（ＮＯ）の場合、再び（ｎ）で温度が設定上限以上か否かが判断される。
このループ中に（ｎ）で温度が設定上限に達していない（ＮＯ）と判断されれば、フローのエンドに達し、再びフローがスタートする。
このループにより、内容物の入出庫、シャッターの開閉等の外乱で一時的に温度センサー付近の温度が上昇した場合には、容器内の気流を安定化させて温度を低下させることができるため、過剰な液体窒素の供給を抑制することができる。

（ｏ）で設定された監視時間が終了している（ＹＥＳ）場合は、（ｐ）で液面管理フローにより液体窒素を供給中であるか否かが判断される。
液面管理フローにより液体窒素を供給中（ＹＥＳ）の場合は、フローのエンドに達し、再びフローがスタートして、（ｌ）で温度が設定上限以上か否か判断することとなる。
液面管理フローにより液体窒素を供給中ではない（ＮＯ）場合、（ｑ）で液体窒素供給指令が出され、給液弁１１１が開放されて容器本体１０１の内部に液体窒素が供給される。
（ｑ）で液体窒素供給指令が出されると、（ｒ）で液体窒素の供給時間がカウントされ、タイムアップ（ＹＥＳ）すると、（ｓ）で液体窒素供給が停止される。
そして、液体窒素の供給直後、すぐに容器内温度が安定せず、温度センサーの反応も遅れが生じることもあるため、再び、（ｍ）で温度監視の所定時間が設定され、（ｎ）で再び温度が設定上限以上か否か判断する。
このことでも、液体窒素の過剰な供給を抑制できる。

上述したように、液位制御部による液面管理フローと、温度制御部による温度管理フローの２つにより、それぞれ独立して常に動作しているが、どちらのフローにも、液体窒素の供給（ｆ）、（ｑ）の直前には、他方が窒素供給中か否か判断（ｅ）、（ｐ）が組み込まれている。
このため、インターロック制御部を介して給液弁１１１が制御されるとともに、インターロック制御部が液体窒素の供給を監視し、液位制御部および温度制御部における（ｅ）、（ｐ）の判断を可能としている。
なお、液位制御部及び温度制御部のそれぞれのフローに他方が窒素供給中か否かの判断を組み込まずにインターロック制御部が排他的に指令を受けるようにしてもよく、インターロック制御部から逆に液位制御部及び温度制御部に制御フローの一時停止指令を出すようにしてもよい。

液位制御部による液面管理フローにおいて、上記実施形態では、給液弁１１１を開放した後、（ｇ）で液体窒素の液面が上限か否かを判断して窒素供給をＯＦＦとしているが、「上限」は使用上の制約で規定される物理的な上限に限定されず、任意の位置に定めればよい。
また、給液弁１１１を開放した後、供給量や供給時間を基準として窒素供給をＯＦＦとしてもよい。
上記制御手段は、機能的に複数の制御部、制御機構を備えているが、物理的には１つの装置であっても複数の装置に分散されていてもよい。
また、その配置や物理的な形状はいかなるものであってもよく、研究設備、試験設備、製造設備等の冷凍保存システムが利用される設備における他の制御手段、管理手段等がその機能を有するものであってもよい。

１００ ・・・冷凍保存システム
１０１ ・・・容器本体
１０２ ・・・シャッター
１１０ ・・・供給管路
１１１ ・・・給液弁
１２０ ・・・温度センサー
１３０ ・・・液位センサー

Claims (6)

1. 底部に液体窒素を貯留するように構成された容器本体と、液体窒素の液相領域上の気相領域の温度を検出する温度センサーと、液相領域の液位を検出する液位センサーと、前記容器本体への液体窒素の供給を開閉制御する給液弁とを有する冷凍保存システムであって、
   前記冷凍保存システムは、液相領域の液位を制御する液位制御部と、気相領域の温度を制御する温度制御部と、インターロック制御部とを有し、
   前記液位制御部は、前記液位センサーを監視し、液位が下限値に達した時に前記給液弁を開放するように構成され、
   前記温度制御部は、前記温度センサーを監視し、気相領域の温度が所定温度以上の時に、所定の時間だけ前記給液弁を開放するように構成され、
   前記インターロック制御部は、前記液位制御部または前記温度制御部のいずれか一方によって給液弁が開放されている時に、他方による給液弁の開放を禁止するように構成されていることを特徴とする冷凍保存システム。
2. 前記温度制御部は、所定の時間だけ前記給液弁を開放し、前記給液弁を閉じた後、別の所定時間待機した後に前記温度センサーの監視を続行するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍保存システム。
3. 前記容器本体は、上方に開閉可能なシャッターを有し、
   前記液位制御部および前記温度制御部は、前記シャッターが開放している場合、前記給液弁を開放する前に前記シャッターを閉塞するように構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍保存システム。
4. 底部に液体窒素を貯留するように構成された容器本体と、液体窒素の液相領域上の気相領域の温度を検出する温度センサーと、液相領域の液位を検出する液位センサーと、前記容器本体への液体窒素の供給を開閉制御する給液弁とを有する冷凍保存システムの液体窒素管理方法であって、
   前記液位センサーを監視し、液位が下限値に達した時に前記給液弁を開放するとともに、前記温度センサーを監視し、気相領域の温度が所定温度以上の時に、所定の時間だけ前記給液弁を開放し、液位センサーの監視で給液弁が開放されている時は、温度センサーの監視を停止し、温度センサーの監視で給液弁が開放されている時は、液位センサーの監視を停止することを特徴とする液体窒素管理方法。
5. 前記温度センサーの監視で所定の時間だけ前記給液弁を開放した後、別の所定時間だけ待機した後に、前記温度センサーの監視を続行することを特徴とする請求項４に記載の液体窒素管理方法。
6. 前記容器本体は、上方に開閉可能なシャッターを有し、
   前記シャッターが開放している場合、前記給液弁を開放する前に前記シャッターを閉塞することを特徴とする請求項４または請求項５に記載の液体窒素管理方法。

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