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蠕動ポンプ:同時に二か所を閉じ、液体に触れる弁は一つもない
翻訳済み
Emma

作成者

Emma

27. 9月 2026SE
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蠕動ポンプ:同時に二か所を閉じ、液体に触れる弁は一つもない

指二本でホースを挟んで滑らせると、先の液体は押し出され、指の後ろではホースが元に戻って再び満たされます。蠕動ポンプの仕組みはこれだけです。回転子が曲線状の軌道に沿ってローラーを回し、それぞれが柔軟なチューブを挟んで閉じながら転がっていきます。 液体に触れるのはチューブの内側だけです。詰まる弁も、漏れるシールも、使い捨てできるチューブ以外に洗浄するものもありません。だからこそ、血液、細胞培養、水道への薬品注入、コンクリート、そしてプリンターのインクにこのポンプが使われます。 Rufus Porter と J. D. Bradley は 1855 年に井戸ポンプとしてこれを特許化し、今もすべての蠕動ポンプが従わなければならない唯一の規則を記しました。チューブは**同時に二か所**で閉じられていなければならない、というものです。1881 年、Eugene Allen は血液を送るために同じ原理を用いました。血液が凝固する弁がないからです。このラングではステッピングモーターを使ってこれを製作します。
中級者
約6時間

手順

1

最初にチューブを選ぶ — ほかのすべてがこれで決まる

チューブはポンプそのものです。内径が1回転あたりの流量を決め、肉厚がローラーがどれだけ強く押し潰さなければならないかを決め、材質が何を送液できるか、どれだけ長持ちするかを決めます。 この製作には**シリコーン**チューブを使ってください。挟まれた後に丸い形へすばやく戻るため、ローラーの後ろの空間を再び満たすことができます。透明なPVCチューブは安価ですが硬く、回復が遅く、早い段階で永久的な扁平変形が残るため、低速でたまにしか使わない用途にのみ適しています。 内径と肉厚を、切断した端面でノギスを使い、円周上の複数の点で測定してください。扁平に潰したチューブは、ちょうど**壁2枚分の厚さ**になります。これがローラーとトラックの初期すき間になります。両方の数値を書き留めてください。次のステップではトラックがこれらを基準に設計されます。

このステップの材料:

シリコンチューブシリコンチューブ1 メートル

必要な工具:

デジタルノギス 6インチデジタルノギス 6インチ
2

トラック、ローター、ローラーを印刷する

半径25 mmの曲面トラックを持つハウジングを、チューブの中心線から測って**少なくとも180度**巻き付くように印刷します。チューブは一方の脚から入り、もう一方の脚から出るU字形です。5 mmのステッピングモーターのシャフトに、止めネジで固定できる3本腕のローターを印刷し、各腕の先端にマシンネジで取り付けたスケートボード用ベアリングをローラーとして組み込みます。固定ピンではなく転がり軸受けを使うことが、ポンプとチューブカッターの違いです。ピンはチューブを引きずって摩耗させ、穴を開けてしまいます。 トラックは独立したパーツとし、長穴に通した2本のネジで固定して、ローターに向かって移動できるようにします。この調整が**閉塞量**、つまりチューブをどれだけ強く締め付けるかを決めるもので、ポンプが持つ唯一の設定項目です。 トラックの両端でチューブを印刷したクリップで固定してください。固定しないと、ローラーとともにチューブが回転方向にずれていき、ピンと張って引っ張られ、ポンプとして機能しなくなります。

このステップの材料:

PETGフィラメントPETGフィラメント120 g
ボールベアリングボールベアリング3 個
小ねじ小ねじ10 個
ステッピングモーターステッピングモーター1 個

必要な工具:

FDM 3D プリンターFDM 3D プリンター
デジタルノギス 6インチデジタルノギス 6インチ
六角レンチセット六角レンチセット
コードレスドリルコードレスドリル
ドリルビットセットドリルビットセット
3

ターンごとの流量と、二か所閉鎖のルール

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4

The drive: a stepper, a speed knob and a reverse button

A stepper motor is the right drive for a dosing pump: it turns a known angle per step, so the volume pumped is simply steps counted. This sketch reads a potentiometer for speed and a button to reverse — reversing is how you clear an air lock or empty a line back into its bottle. Set the driver's current limit before connecting the motor; a stepper run at the wrong current either stalls under the tube's resistance or overheats.
peristaltic_drive.inoarduino
/*
  peristaltic_drive.ino -- run a stepper-driven peristaltic pump at a set speed.

  Hardware: a NEMA 17 stepper on an A4988 (or DRV8825) driver board, a 10 k
  potentiometer for speed, and a push button to reverse.
  Wiring:   driver STEP -> D3, DIR -> D4, EN -> D8 (LOW = enabled)
            pot wiper -> A0, pot ends -> 5V and GND
            button    -> D2 and GND (internal pull-up)
  The driver's own VMOT must come from the 12 V supply, with a 100 uF capacitor
  across it at the board, and its current limit set BEFORE the motor is connected.
*/

const int PIN_STEP = 3;
const int PIN_DIR  = 4;
const int PIN_EN   = 8;
const int PIN_BTN  = 2;
const int PIN_POT  = A0;

const long STEPS_PER_REV = 200L * 16L;   // 1.8 deg motor, 1/16 microstepping
const float RPM_MIN = 2.0;
const float RPM_MAX = 150.0;

unsigned long lastStep = 0;
unsigned long interval = 0;              // microseconds between steps
bool forward = true;
bool lastBtn = HIGH;

void setup() {
  pinMode(PIN_STEP, OUTPUT);
  pinMode(PIN_DIR, OUTPUT);
  pinMode(PIN_EN, OUTPUT);
  pinMode(PIN_BTN, INPUT_PULLUP);
  digitalWrite(PIN_EN, LOW);
  digitalWrite(PIN_DIR, HIGH);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // speed from the pot, re-read every loop so turning it takes effect at once
  float rpm = RPM_MIN + (RPM_MAX - RPM_MIN) * analogRead(PIN_POT) / 1023.0;
  interval = (unsigned long)(60.0e6 / (rpm * STEPS_PER_REV));

  // reverse on a button press (edge, not level), to clear an air lock
  bool b = digitalRead(PIN_BTN);
  if (b == LOW && lastBtn == HIGH) {
    forward = !forward;
    digitalWrite(PIN_DIR, forward ? HIGH : LOW);
    Serial.println(forward ? F("forward") : F("reverse"));
    delay(30);                           // crude debounce
  }
  lastBtn = b;

  unsigned long now = micros();
  if (now - lastStep >= interval) {
    lastStep = now;
    digitalWrite(PIN_STEP, HIGH);
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(PIN_STEP, LOW);
  }
}

/*
  CALIBRATE, don't trust the arithmetic:
   1. Run into a graduated cylinder for exactly 100 rotor turns (count them on
      the serial print, or time them at a known rpm).
   2. Volume / 100 is your mL per turn. Compare it with the notebook's figure.
   3. Repeat with the outlet lifted 1 m higher. If the figure drops, the
      rollers are not closing the tube fully -- raise the occlusion.
*/

このステップの材料:

Arduino Uno R3Arduino Uno R31 個
ステッピングモータードライバーステッピングモータードライバー1 個
可変抵抗器可変抵抗器1 個
ジャンパワイヤジャンパワイヤ1 セット

必要な工具:

Arduino IDE を入れたパソコンArduino IDE を入れたパソコン
直流電源直流電源
5

オクルージョンを設定し、水柱に対して校正する

トラックを緩めた状態から始め、ローラーがチューブにかろうじて触れる程度にします。インレットを色素を一滴垂らした水のビーカーに入れ、アウトレットを目盛り付きメスシリンダーに導いて、ポンプをゆっくり動かします。 トラックを少しずつ寄せていきます。最初、ポンプはほとんど送液しません。ローラーが液体を前方に押し出しますが、液はローラーの横をすり抜けて後退します。すき間が肉厚のおよそ2倍に達すると、流量が急に増えます。ここでアウトレットをインレットより1メートル高く上げ、色素を観察します。ローラーの通過と通過の間に色素がじわじわ逆流するなら、トラックをもう少しだけ閉じます。色素が保持されるようになったら止めます。 それ以上は進めないでください。ミリの端数を余分に詰めるたびに、チューブは毎回のパスで押しつぶされて寿命が縮まり、流量はそれ以上増えません。 では校正します。メスシリンダーに100回転分を送り、容量を割って、ノートの数値と比較します。実際のポンプは、ローラー間でチューブが完全には丸い形状に戻らないため、計算値より少ない量しか送りません。投与ポンプが頼りにすべきなのは、計算値ではなくこの実測値です。

このステップの材料:

水水1 リットル
食用色素(流れを見るための染料)食用色素(流れを見るための染料)1 滴

必要な工具:

メスシリンダーメスシリンダー
ストップウォッチストップウォッチ
六角レンチセット六角レンチセット
メジャー(巻尺)メジャー(巻尺)
6

パルスとチューブの摩耗

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7

流れがずれています:原因を調べてください

ペリスタルティックポンプの流量は、チューブと閉塞(オクルージョン)の状態次第で決まります。ここでは、キャリブレーションされた1回転あたりのミリリットル量を変化させる不具合を、確認すべき順にまとめます。

Flow

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8

歴史と背景

**米国特許 12,753号「弾性チューブポンプ」、ワシントンD.C.のRufus Porterとバーモント州ブラトルボロのJ. D. Bradleyによる、1855年4月17日付。** Porterは『Scientific American』の創刊者であった。この特許は、当時まだ10年しか商業的に入手できなかった加硫ゴム製ホースについて述べており、このホースを円筒面に固定し、ローラーで移動させる構造を示している。また、ポンプを機能させる条件として、ホースが二か所で*「同時に閉じられる」*必要があることを明記している。彼らが示した方法の一つは、ホースを一周分まるごとコイル状に巻くことであった。 **米国特許 249,285号「血液輸血器具」、ミシガン州グランドラピッズのEugene E. Allenによる、1881年6月23日出願、1881年11月8日付与。** 内径約八分の一インチのゴム製ホースを小さな真鍮製の箱の中のゴム製クッションの上に配置し、三個以上のガラス製ローラーを無端ベルトに載せて、常にそのいずれかがホースを押しつぶして閉じるようにした。Allenは明細書で理由を次のように述べている。移動する圧迫により*「すべての吸引弁が不要となる。血液は粘着性とフィブリン性を持つため、吸引弁は必ず詰まり、凝血塊を生じさせるからである」*。 ローラーポンプは、その後、Allenが示したのと同じ理由から、心肺機や透析装置において血液を送液するために用いられるようになった。 **正直な限界。** 脈動が生じる。流量はチューブの摩耗に依存するため、ずれが生じ、再校正が必要となる。圧力はチューブが密封できる範囲に制限され、一般的な実験用チューブでは数バール程度である。さらに、摩耗したチューブは緩やかに故障せず、裂けてしまい、送液していた内容物がポンプヘッド内へ入り込む。
ステップ 8 - Image 1

材料

11

必要な工具

10

CC0 パブリックドメイン

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