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Hintergrund der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Mikrofluidchip nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1. So ein Mikrofluidchip ist aus der
US-A-5 957 579 bekannt.
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Ein
Mikrofluidchip ist ein Gerät,
welches eine Mehrzahl von Flüssigkeiten
an einen engen Strömungskanal
liefert, der eine Breite und eine Tiefe von einigen μm bis einigen
hunderten μm
aufweist und ein Vermischen und eine Reaktion der Flüssigkeiten in
dem engen Strömungskanal
auf der Grundlage des spontanen Verhaltens von Molekülen und
Partikeln, die die Flüssigkeiten
bilden, durchführt.
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Das
heißt,
in einem engen Strömungskanal in
einem Mikrofluidchip beträgt
die Reynoldszahl von Flüssigkeiten
einige Hundert oder weniger, und daher dominiert, anders als in
konventionellen Reaktionsapparaten, eine laminare Strömung, in
der turbulente Strömungen
dominieren. Das Mischen/Reagieren von Flüssigkeiten bei dominanter laminarer
Strömung
wird hauptsächlich
hervorgerufen durch Molekulardiffusion an den Kontaktflächen der
jeweiligen Flüssigkeiten,
und die Geschwindigkeit der Molekulardiffusion ist vorgegeben durch
die Dicke (eine Distanz, über
der verschiedene Sorten von Flüssigkeiten diffundieren
sollten bis sie in ihrer Konzentration einheitlich sind, = Diffusionslänge) der
Flüssigkeiten
in Diffusionsrichtung.
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Viele
herkömmliche
Mikrofluidchips sind dazu bestimmt Flüssigkeiten zu analysieren und
das Mischen/die Reaktion von Flüssigkeiten
bei Strömungraten
von mehreren μl/Min.
bis mehreren zehn μl/Min.
wird in einem engen Strömungskanal
durchgeführt
mit einer schmalen Breite (= kurze Diffusionslänge) von einigen hundert μm oder weniger.
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Konkret
sind Mikrofluidchips bekannt aus der
JP-A-2003-1077 , bei denen eine Mehrzahl
von Flüssigkeiten
jeweils in eine Vielzahl laminarer Strömungen aufgeteilt wird und
laminare Strömungen
werden abwechselnd angeordnet, um einen geschichteten Strömungsfluss
zu bilden, indem das Verhältnis
der Kontaktflächen
der jeweiligen Flüssigkeiten
zu einem Gesamtvolumen der Flüssigkeiten
gesteigert ist, wodurch das Mischen der Flüssigkeiten mit hoher Effizienz
erfolgen kann.
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Ferner
sind Mikrofluidchips aus der
JP-A-2002-346355 bekannt, bei denen Flüssigkeiten in
dünnen
filmartigen Strömungen
angeordnet werden, die senkrecht zur Strömungsrichtung geschichtet sind,
und das Mischen der Flüssigkeiten
erfolgt durch Verwirbeln der Strömung,
welches erzeugt wird durch periodisches Behindern der geschichteten Strömungen.
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Gemäß dem oben
beschriebenen Stand der Technik sind Mikrofluidchips gemäß der Annahme konstruiert,
dass kleine Flüssigkeitsmengen
der Größenordnung
von einigen zehn μl/Min.
analysiert werden sollen, und wenn die Flüssigkeiten in eine Strömung versetzt
werden mit einer Strömungsrate
der Größenordnung
von einigen zehn ml/Min., um die Flüssigkeiten zu mischen/bzw.
reagieren zu lassen, dann sind die Strömungskanäle zu eng, wodurch der interne
Druckverlust zu exzessiv wird, um eine Strömung mit der gewünschten
Strömungsrate
unmöglich
zu machen, sodass ein Anstieg im Durchsatz nicht erwartet werden
kann. Ferner, wird die Diffusion unzureichend, um das erwartete
Mischen/bzw. eine erwartete Reaktion zu erreichen, wenn Flüssigkeiten durch
enge Strömungskanäle mit hoher
Geschwindigkeit strömen.
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Um
einen Anstieg des Durchsatzes zu erhalten und um ein sicheres Mischen/eine
Sichere Reaktion zu erhalten, besteht ein Bedürfnis an einem Parallelprozessing
unter Verwendung einer Mehrzahl von Mikrofluidchips, was „numbering-up" genannt wird, sodass
sich der gesamte Apparat in seinen Ausmaßen stark vergrößert.
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Der
Druckverlust in einem engen Strömungskanal
in einem Mikrofluidchip wird zum größten Teil bestimmt durch die
Viskosität
einer Flüssigkeit.
Dies liegt daran, dass das Verhältnis
des Umfangs eines Querschnitts zur Querschnittsfläche eines
Strömungskanal
groß ist
und der Reibungsverlust aufgrund der Viskosität an den Randoberflächen des
Strömungskanals
aufgrund der Viskosität
groß ist.
Daher, wenn eine hochviskose Flüssigkeit
einem Mikrofluidchip zugeführt
wird, werden nahe den Wandoberflächen
Stagnationen und Akkumulationen aufgrund des Druckverlustes erzeugt,
sodass es schwer wird die Flüssigkeit
einzuspeisen.
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Insbesondere
wird ein Unterschied in dem Druckverlust zwischen einer niederviskosen
Flüssigkeit
und einer hochviskosen Flüssigkeit
erzeugt, wenn eine niederviskose Flüssigkeit und eine hochviskose
Flüssigkeit
eingespeist werden, um diese zu mischen und zum Reagieren zu bringen,
sodass selbst wenn die niederviskose Flüssigkeit durch einen engen
Strömungskanal
relativ leicht fließt,
die hochviskose Flüssigkeit
zum Stagnieren gebracht wird. Somit, selbst wenn die Flüssigkeiten
ursprünglich
in einem gewünschten
Verhältnis
eingespeist werden, bildet sich ein Unterschied in der Strömungsrate
aus, während
die Flüssigkeiten
durch den engen Strömungskanal
fließen,
und die Menge einer der Flüssigkeiten
wird geringer als die der anderen Flüssigkeiten, sodass ein Mischen
in einem gewünschten Verhältnis nicht
erzielt werden kann wenn das Mischen durchgeführt werden soll, und die Ausbeute sinkt
wenn eine Reaktion durchgeführt
werden soll. Dann wird in dem engen Strömungskanal die hochviskose
Flüssigkeit
graduell stagnieren, wodurch sie einen größeren Teil des Strömungskanals
einnimmt, sodass das gewünschte
Mischen und Reagieren nicht erreicht werden kann.
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Die
US-A-5 957 579 beschreibt
einen Mikrofluidchip, der jeweils Flüssigkeiten, die von einer Mehrzahl
von Flüssigkeitszufuhranschlüssen geliefert
werden zu einem Strömungskanal
führt,
um darin ein Mischen/eine Reaktion der Flüssigkeiten auszuführen und
um eine verarbeitete Flüssigkeit
in einem Flüssigkeitsabflussanschluss
zuzuführen,
wobei ein Strömungsabflachungsbereich
vorgesehen ist, der an seinem Eingangsende, welches stromab auf
die Mehrzahl von Flüssigkeitszufuhranschlüssen folgt, eine
Breite aufweist, die der Breite der Anordnung der Mehrzahl von Flüssigkeitszufuhranschlüssen entspricht,
wobei diese Breite in Stromabrichtung des Fluidflusses verengt ist
und proportional dazu die Tiefe des Strömungskanals vergrößert ist,
derart, dass die Querschnittsfläche
des Strömungskanals
konstant bleibt oder sich leicht von Innenstromabrichtung auf dessen
anderes Ende hin zu leicht vergrößert, welches
in dem engen Strömungskanal
mündet.
Die
EP 1 415 708 A2 zeigt
einen chemischen Reaktor und ein Gerät zum Mischen und Verarbeiten
verschiedener Flüssigkeiten
mit verschiedenen Viskositäten.
Eine Mehrzahl von Ventilen erzeugt laminare Strömungen der verschiedenen Flüssigkeiten.
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Kurze Zusammenfassung der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe der Erfindung einen Mikrofluidchip anzugeben,
der Flüssigkeiten
bei hohen Strömungsraten
mit hoher Geschwindigkeit verarbeiten kann und der die Notwendigkeit
dimensionaler Vergrößerung eines
Apparats eliminiert.
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Es
ist ferner eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Mikrofluidchip
anzugeben, dem eine Mehrzahl von Flüssigkeiten einschließlich hochviskose
Flüssigkeiten
eingegeben werden können,
die kontinuierlich dem gewünschten
Vermischen und Reagieren zugeführt
werden können.
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Die
obenstehenden Aufgaben werden mit einem Mikrofluidchip gemäß Patentanspruch
1 erfüllt. Abhängige Ansprüche sind
auf Merkmale bevorzugter Ausführungsform
der Erfindung gerichtet.
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Wenn
Flüssigkeiten,
die abwechselnd in dem Zulaufbereich angeordnet sind, in ihren Abmessungen
in Stromabrichtung reduziert werden, werden diese abwechselnd angeordneten
Flüssigkeiten
in Richtung der Anordnung in der Breite kleiner (die Diffusionslänge wird
verkürzt).
Dadurch wird die Diffusion ständig
verbessert, aber die Querschnittsfläche des Strömungskanals verkleinert sich
in Strömungsrichtung
wenn die Abmessungen in einer Richtung, die die Richtung der Anordnung
und die Richtung der Strömung
schneidet, beibehalten werden. Dann tritt ein Druckverlust auf,
was große
Strömungsraten
unmöglich
macht.
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Erfindungsgemäß werden
die Abmessungen in der Richtung, die die Richtung der Anordnung
und die Richtung der Strömung
schneidet in Flussrichtung vergrößert, sodass
die Querschnittsfläche
des Strömungskanals
in Flussrichtung gleichbleibt oder sich leicht vergrößert, wodurch
ein Anstieg des Druckverlustes verhindert wird und Flüssigkeiten
mit großen
Strömungsraten
fließen.
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Wenn
abwechselnd in dem Flüssigkeitszulauf
angeordnete Flüssigkeiten
in ihren Abmessungen in einer Richtung, in der die Flüssigkeiten
angeordnet sind, verringert werden, während sie stromab fließen, werden
die jeweiligen abwechselnd angeordneten Flüssigkeiten in Richtung der
Anordnung in ihrer Breite schmaler. Und wenn die Abmessung in einer
Richtung, die die Richtung der Anordnung und des Flusses schneidet,
in Strömungsrichtung
vergrößert werden,
werden die Kontaktbereiche benachbarter Flüssigkeiten pro Einheitslänge in Flussrichtung
vergrößert. Wenn
die Querschnittsfläche
in einem Verbindungsbereich eines Verarbeitungsbereichs und eines
darauffolgenden Strömungsabflachungsbereichs
in einer Richtung, die die Strömung schneidet
bis zu einem Flüssigkeitsablaufanschluss beibehalten
wird, können
Kontaktflächen
benachbarter Flüssigkeiten
pro Einheitslänge
in Flussrichtung gesehen, auch in dem Bearbeitungsbereich beibehalten
werden, sodass eine Stagnationszeit bis zum Beenden des Mischens
oder einer Reaktion der jeweiligen Flüssigkeiten, die von dem Zulaufanschlüssen geliefert
werden, verkürzt
werden und der Strömungskanal
in dem Verarbeitungsbereich wird verlängert, wodurch ein Apparat
in seinen Dimensionen verkleinert werden kann.
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Da
somit Flüssigkeiten
mit hoher Geschwindigkeit und Strömungsrate fließen können, ist
es erfindungsgemäß möglich, die
Anzahl der Parallelverarbeitungen zu reduzieren, um eine räumliche
Vergrößerung eines
Apparates zu verhindern.
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Da
dementsprechend die Flüssigkeit
mit niedriger Viskosität
um die Flüssigkeit
mit hoher Viskosität
herum angeordnet ist, um zu verhindern, dass die Flüssigkeit
mit hoher Viskosität
direkt die Wandoberflächen
des engen Strömungskanals
berührt,
ist die hochviskose Flüssigkeit
nicht in ihrer Strömung stagnierend,
sodass es erfindungsgemäß möglich ist,
eine verarbeitete Flüssigkeit
zu erhalten, die dem gewünschten
Mischen und der gewünschten
Reaktionen der Flüssigkeiten
ausgesetzt war.
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Ferner
ist die Kontaktfläche
zwischen der hochviskosen Flüssigkeit
und der niederviskosen Flüssigkeit
gesteigert, sodass die Molekulardiffusionen der Flüssigkeiten
sich vorteilhaft entwickelt, um das gewünschte Mischen und die gewünschte Reaktion
der Flüssigkeiten
mit hoher Effizienz zu erreichen. Weitere Aufgaben, Merkmale und
Vorteile der Erfindung werden durch das Studium der folgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung in Zusammenschau mit den beigefügten Zeichnungen klarer.
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Kurzbeschreibung verschiedener
Ansichten der Zeichnungen
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1 zeigt
eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines Mikrofluidchips
gemäß der Erfindung;
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2 zeigt
eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines Mikrofluidchips
gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung;
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3 zeigt
eine Draufsicht auf den in 1 gezeigten
Mikrofluidchipkörper;
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4 zeigt
eine Rückansicht
einer in 1 gezeigten Abdeckung;
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5 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Schnittflächenebene III-III des in 2 gezeigten Mikrofluidchips;
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang der Schnittebene IV-IV des in 3 gezeigten
Mikrofluidchips;
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7 zeigt
eine perspektivische Teilansicht eines Zustandes von Flüssigkeitsströmen in dem
in 3 gezeigten Mikrofluidchip;
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8 zeigt
einen teilweisen vertikalen Schnitt entlang der Schnittebenenlinie
V-V des in 7 gezeigten Mikrofluidchips;
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9 zeigt
einen teilweisen vertikalen Querschnitt entlang der Schnittebenenlinie
VI-VI des in 7 gezeigten Mikrofluidchips; 10 zeigt
einen vertikalen Querschnitt entlang der Schnittebenenlinie VII-VII
des in 3 gezeigten Mikrofluidchips;
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11 zeigt
eine vergrößerte Ansicht
eines zweiten Flüssigkeitsablaufbereichs,
der in 2 gezeigt ist; und
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12 zeigt
eine teileweise vertikale Schnittansicht gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung und gemäß 8.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die
in den Figuren dargestellten Ausführungsformen werden im Folgenden
beschrieben.
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Während im
Folgenden ein Mikrofluidchip beschrieben wird, der zwei Sorten von
Flüssigkeiten mischt,
so ist die Erfindung in keiner Weise auf diese Ausführungsform
beschränkt.
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1 zeigt
eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines ganzen
Mikrofluidchips 1.
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Der
Mikrofluidchip 1 weist einen Mikrofluidchipkörper 10,
gebildet aus einer Platte, auf der aus Metall, Glas, Silikon, Harz,
etc. hergestellt ist, je nach den Sorten von Flüssigkeiten, die verarbeitet
werden sollen, beispielsweise durch Mischen, miteinander Reagieren
lassen oder dergleichen und hat eine Dicke von einigen Millimetern,
wobei eine Abdeckung 30 auf der Hauptoberfläche des
Mikrofluidchipkörpers 10 angeordnet
ist, um einen Dachbereich der Strömungskanäle in dem Mikrofluidchipkörper 10 zu bilden
und wobei ein Adapter 50 vorgesehen ist, der auf der anderen
Hauptoberfläche
des Mikrofluidchipkörpers 10 gegenüber der
Abdeckung 30 angeordnet ist, um ein Flüssigkeitseinspeichermechanismus,
wie beispielsweise eine Pumpe, etc. an dem Chip anzubringen, und
Dichtungen 70, 90 (siehe 3) sind zwischen
diesen drei Elementen angeordnet, und eine Schraubbefestigung verhindert
den Austritt von Flüssigkeit.
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Während ein
klebendes Dichtungsmaterial, ein metallisches Dichtungsmaterial,
etc. für
die Dichtungselemente verwendet werden können, können auch andere Verfahren
wie Laserverbinden, Klebstoffe, etc. angewendet werden, um die Abdeckung 30 und
den Adapter 50 direkt an den beiden Seiten des Mikrofluidchipkörpers 10 zu
befestigen. Ferner stellen die auf dem Mikrofluidchipkörper 10,
der Abdeckung 30 und dem Adapter 50 angezeichnete
Elipsen, Schraublöcher
dar. Ferner sind Löcher
im Adapter 50 und der Abdichtung 90 vorgesehen,
die als Kanäle
für Flüssigkeiten
dienen, um diese zuzuführen oder
ablaufen zu lassen, wenngleich deren Beschreibung hier ausgelassen
wird.
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2 zeigt
eine schematische perspektivische Explosionsansicht eines Mikrofluidchips 1,
der einen Mikrofluidchipkörper 10 aufweist,
der aus einer Platte herausgearbeitet ist, die aus Metall, Glas,
Silikon, Harz, etc. je nach Art der zu behandelnden Flüssigkeit
ausgewählt
ist, wobei die Behandlung ein Vermischen, eine Reaktion oder dergleichen
umfasst. Der Mikrofluidchipkörper
hat eine Dicke von einigen Millimetern und eine Abdeckung 30 ist
auf einer Hauptoberfläche
des Mikrofluidchipkörpers 10 angeordnet,
um einen Dachbereich für
einen Strömungskanal
im Mikrofluidchipkörper 10 zu
bilden, und ein Adapter 50 ist auf der anderen Hauptoberfläche des Mikrofluidchipkörpers 10 gegenüber der
Abdeckung 30 vorgesehen, um einen Flüssigkeitseinspeisemechanismus
wie eine Pumpe, oder dergleichen anzukoppeln, und Abdichtigungselemente 70, 90 (siehe 5 und 6)
sind zwischen diesen drei Elementen angeordnet. Diese Elemente sind
miteinander durch Schrauben verschraubt (nicht gezeigt), die sich durch
acht Gewindelöcher 2 bis 4 erstrecken,
die entlang des Umfangs angeordnet sind, um einen Flüssigkeitsaustritt
zu verhindern.
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Während ein
klebendes Dichtungsmittel, ein metallisches Dichtungsmittel, etc.
als Dichtungsmaterialien verwendet werden können, so sind andere Verfahren,
wie Laserverbinden, Verkleben und dergleichen anwendbar um die Abdeckung 30 und
den Adapter 50 direkt an den beiden Seiten des Mikrofluidchipkörpers 10 zu
befestigen.
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Eine
L-förmige,
konkave Führung 11 zur
Positionierung ist von der Strömungskanalseite
ausgesehen rechts und unten am Chipkörper 10 angeordnet
und eine L-förmige
konvexe Führung 31 ist
an der Abdeckung 30 angeordnet, um mit der konkaven Führung 11 zusammenzuwirken,
sodass eine genauer Positionierung durchgeführt werden kann, indem die
beiden konkaven und konvexen Führungen
zusammengefügt
werden wenn der Chipkörper 10 und die
Abdeckung 30 zusammengeklemmt werden.
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Löcher 51 und 53 sind
am Adapter 50 vorgesehen und dienen als Kanäle für zugeführte und
verarbeitete Flüssigkeiten,
und ähnliche
Löcher
sind auf einer Dichtung 90 (siehe 5 und 6)
vorgesehen, die zwischen dem Chipkörper 10 und dem Adapter 50 angeordnet
ist, in Positionen, die denen der Löcher 51 bis 53 entsprechen.
Wie weiter unten beschrieben wird ist auf der Rückseite des Adapters 50 ein
Anschluss (Stecker oder Verbindung) für die Zufuhr einer niederviskosen
Flüssigkeit
mit dem Loch 51 verbunden, und ein Anschluss (Stecker oder
Verbindung) für
die Zufuhr einer hochviskosen Flüssigkeit
ist mit dem Loch 52 verbunden.
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3 zeigt
eine Draufsicht auf eine Hauptoberfläche des Mikrofluidchipkörpers 10,
der eine erste Flüssigkeitszufuhr 12 in
flachovaler Form, eine Mehrzahl zweiter Flüssigkeitszufuhren 14,
einen Bereich 15 zum Bilden einer laminaren Strömung, einen Strömungsabflachungsbereich 16,
einen Verarbeitungsbereich 17 und einen Flüssigkeitsentnahmebereich 18 aufweist.
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Gemäß dieser
Ausführungsform
stellt ein Basin, welches sich von der ersten Flüssigkeitszuführung 12 zum
Bereich 15 zur Bildung der laminaren Strömung erstreckt
eine Flüssigkeitszufuhr
zum Zuführen
einer Mehrzahl von Strömungen,
die gebildet werden, indem mindestens zwei Sorten von Flüssigkeiten
so aufgeteilt werden, dass diese abwechselnd angeordnet sind, und
der Verarbeitungsbereich 17 weist einen engen Strömungskanal
auf, indem die Flüssigkeiten
vermischt werden und miteinander zur Reaktion gebracht werden.
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Eine
niederviskose Flüssigkeit
wird von der ersten Flüssigkeitszuführung 12 abgelassen,
und eine hochviskose Flüssigkeit
wird von den zweiten Flüssigkeitszuführungen
abgelassen, wobei die erste Flüssigkeitszuführung 12 auf
der stromaufgelegenen Seite und die zweite Flüssigkeitszuführung 14 auf
einer stromabgelegenen Seite angeordnet sind.
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Die
Mehrzahl zweiter Flüssigkeitszuführungen 14 werden
in vorbestimmten gleichen Abständen entlang
einer Längsrichtung
der flachovalen Form der ersten Flüssigkeitszufuhr 12 angeordnet,
das heißt
senkrecht zu der Strömungsrichtung
der niederviskosen Flüssigkeit.
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Die
Strömung 13 der
niederviskosen Flüssigkeit
erstreckt sich von der ersten Flüssigkeitszufuhr 12 zu
dem zweiten Flüssigkeitsfuhren 14.
Ein Mischen und eine Reaktion der Flüssigkeiten erfolgt graduell
auf dem Bereich 15 zur Bildung einer laminaren Strömung und
in dem Bereich 16 zum Bilden einer abgeflachten Strömung. Der
Aufbau dieser Bereiche wird weiter unten beschrieben.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf eine Seite der Abdeckung 30 in Kontakt
mit dem Mikrofluidchipkörper 10,
wobei die Abdeckung einen Strömungskanalabdeckungsbereich 33 aufweist
in Form einer Abdeckung für
die verbleibenden Strömungskanäle des Mikrofluidchipkörpers 10.
Der Strömungskanalabdeckungsbereich 33 ist
geformt durch Einschneiden einer Oberfläche der Abdeckung 30 und
vertieft sich durch eine Stufe gegenüber einer Oberfläche 34,
die in Kontakt mit der Dichtung 70 steht (siehe 5 und 6).
Ferner weist die Dichtung 70 Öffnungen auf, die in ihrer
Form den acht Gewindebohrungen 3 und dem Abdeckungsbereich 33 für den Strömungskanal angepasst
sind, sodass Flüssigkeiten
in Kontakt mit dem Strömungskanalabdeckungsbereich 33 gelangen.
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Der
Mikrofluidchipkörper 10 ist
mit Nuten versehen, die verschiedene Formen haben und sich von einer
Flüssigkeitszufuhr
aus erstrecken, wie später genauer
beschrieben wird, zu einem Flüssigkeitsauslass,
und die fest auf der Oberfläche
des Mikrofluidchipkörpers 10 befestigte
Abdeckung 30 funktioniert als Abdeckung, um die Nuten abzudichten,
und die jeweiligen Nuten und die Abdeckung 30 bilden die
jeweiligen oben beschriebenen Strömungskanäle (13, 15 bis 17).
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5 zeigt
einen Querschnitt durch den Mikrofluidchipkörper 10 entlang der
Schnittebenenlinie III-III in 3, wobei
die erste Flüssigkeitszufuhr 12 mit
einem einzelnen ovalen Stutzen als erster Flüssigkeitsablaufanschluss 12a versehen
ist. Ein erster Flüssigkeitszufuhrkopf 5 ist
an dem Adapter 50 angeordnet an einer Stelle, die der ersten
Flüssigkeitszufuhr 12a entspricht,
sodass eine erste Flüssigkeit (niederviskose
Flüssigkeit)
A, die von dem ersten Flüssigkeitszufuhrkopf 5 zugeführt wird
den ersten Flüssigkeitszulaufanschluss 12a auffüllt, wenn
der Flüssigkeitspegel
steigt, um eine Strömung
in Form einer flachen Schicht zu bilden, die die gleiche Breite aufweist
wie die gesamte Breite des Flüssigkeitskanals 13,
der in 3 gezeigt ist.
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6 zeigt
einen Querschnitt durch den Mikrofluidchipkörper 10 entlang der
Schnittflächenlinie IV-IV
in 10. Wie in 6 gezeigt
weisen die zweiten Flüssigkeitszufuhren 14 eine
Mehrzahl von zweiten Flüssigkeitszufuhranschlüsse 14a auf,
und die jeweiligen zweiten Flüssigkeitszufuhranschlüsse 14a weisen
Löcher
auf, die vorgesehen sind, um sich von der Rückseite (einer Hauptseite auf
der Seite des Adapters 50) des Mikrofluidchipkörpers 10 zu
der Vorderseite (einer Hauptseite auf der Seite der Abdeckung 30)
so zu erstrecken, dass sie sich in Reihe mit vorbestimmtem Abstand
in Breitenrichtung des Mikrofluidchipkörpers 10 erstrecken.
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Ein
Puffertank 19, der zeitweise eine zweite Flüssigkeit
B sammelt (hochviskose Flüssigkeit)
ist auf der Rückseite
des Mikrofluidchipkörpers 10 auf der
Seite des Adapters 50 so angeordnet, dass er mit den jeweiligen
zweiten Flüssigkeitszufuhranschlüssen 14a kommuniziert.
Der Puffertank 19 wird gebildet aus einem Rücksprung,
der auf der Rückseite des
Mikrofluidchipkörpers 10 vorgesehen
ist und dem Adapter 50. Ein zweiter Flüssigkeitszufuhrkopf 6 ist
an einer Stelle des Adapters 50 angeordnet, die dem Puffertank 19 entspricht,
sodass die zweite von dem zweiten Flüssigkeitszufuhrkopf 6 gelieferte
Flüssigkeit
B den Puffertank 19 auffüllt und anschließend gleichmäßig an alle
zweiten Flüssigkeitszufuhranschlüsse 14a geliefert
wird, wenn der Flüssigkeitspegel
steigt. Als Ergebnis wird die zweite Flüssigkeit in Flüssigkeitsströme von allen
zweiten Flüssigkeitszufuhranschlüssen 14a unterteilt,
die von diesem ausgehen.
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7 zeigt
vergrößert einen
wichtigen Teil der Oberfläche
des Mikrofluidchipkörpers 10,
der sich von der ersten Flüssigkeitszufuhr 12 bis
hin zum Bereich 15 zum Bilden einer laminaren Strömung erstreckt.
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Die
jeweiligen zweiten Flüssigkeitszufuhranschlüsse 14a sind
umgeben von im Wesentlichen rhombischen Vorsprüngen 20. Die jeweiligen
Vorsprünge 20 sind
mit Vertiefungen 21 versehen, die stromab bezüglich der
jeweiligen zweiten Flüssigkeitszufuhranschlüsse 14a angeordnet
sind und die Böden
der Vertiefung 21 sind höher positioniert als der Strömungskanal 13 und
der Bereich 15 zum Bilden einer laminaren Strömung.
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Die
jeweiligen zweiten Flüssigkeitszufuhranschlüsse 14a und
die jeweiligen Vertiefungen 21, die mit diesen in Verbindung
stehen, bilden Führungskanäle für die jeweiligen
zweiten Flüssigkeiten
B. Öffnungen
der Führungskanäle, das
heißt Öffnungen 22,
die durch die jeweiligen Vertiefungen 21 gebildet werden,
um in Richtung des Bereichs 15 zur Bildung einer laminaren
Strömung
orientiert zu sein, sind von dem Boden des Strömungskanals 13 getrennt.
Dementsprechend werden die jeweiligen zweiten Flüssigkeiten B in die erste Flüssigkeit
A (niederviskose Flüssigkeit)
gefüllt,
die durch den Strömungskanal 13 fließt, ausgehend
von den Öffnungen 22,
um nicht in Kontakt mit dem Boden des Bereichs 15 zur Bildung einer
laminaren Strömung
zu gelangen.
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Dieser
Zustand wird durch Pfeile in 7 dargestellt,
die die Strömungsrichtung
der jeweiligen Flüssigkeiten
angeben.
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Die
erste Flüssigkeit
A mit niedriger Viskosität,
die von dem ersten Flüssigkeitsabgabeanschluss 12a abgelassen
wird, erzeugt eine filmförmige
Strömung
und bewegt sich während
sie den gesamten Strömungskanal 13 ausfüllt, um
mit den jeweiligen Vorsprüngen 20 der
zweiten Flüssigkeitszuführungen 14 in
Kontakt zu treten. Da der filmförmige
Fluss eine laminare Strömung
bildet wird diese nach dem Kontakt so aufgeteilt, dass sie die jeweiligen
Vorsprünge 20 wie
durch die Pfeile in der Figur dargestellt ohne Turbulenzen umrundet,
um anschließend
wieder an den stromabgelegenen Enden der jeweiligen Vorsprünge 20 zusammengeführt zu werden.
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Wie
in 8 gezeigt, die einen senkrechten Schnitt entlang
der Schnittflächenlinie
V-V in 14 zeigt, sind die Öffnungen 22,
von denen die zweiten Flüssigkeiten
B abgelassen werden, eine Stufe höher als der Boden des Strömungskanals,
und zweite Flüssigkeitsabdeckungsbereiche 32,
die nicht zur vorliegenden Erfindung gehören, stehen eine Stufe von
dem Dachbereich des Strömungskanals
hervor. Dementsprechend werden die hochviskosen Flüssigkeiten
B (zweite Flüssigkeiten)
von den jeweiligen Öffnungen 22 aus
in die Strömung
der ersten Flüssigkeit
A abgelassen, die an den stromabgelegenen Enden der jeweiligen Vorsprünge 20 zusammengeführt werden,
um weiter in dem Bereich 15 zur Bildung einer laminaren
Strömung
zu fließen.
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Wenn
die zweiten Flüssigkeiten
B aus den jeweiligen Öffnungen 22 abgelassen
werden, fließt die
erste Flüssigkeit
A mit niedriger Viskosität
um diese Öffnungen
herum, sodass, wie in 9 gezeigt, die zweiten Flüssigkeiten
B mit hoher Viskosität
eine Strömung
bilden, wobei deren gesamter Randbereich von der ersten Flüssigkeit
A umgeben wird, sodass die zweiten Flüssigkeiten B mit hoher Viskosität nicht
die Wandoberflächen
des Strömungskanals
berühren.
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Dadurch
wird es möglich
zu verhindern, dass der Druckverlust größer wird, der durch den Kontakt zwischen
den Wandoberflächen
und der hochviskosen Flüssigkeit
entsteht. Ebenso kann eine Stagnation und Akkumulation der hochviskosen
Flüssigkeit verhindert
werden, die mit einem solchen Druckverlust einhergeht, wodurch eine
genaue Flüssigkeitszufuhr
ermöglicht
wird. Zu diesem Zeitpunkt, wenn eine entsprechende Strömung eine
laminare Strömung bildet,
sind die zweiten Flüssigkeitszufuhranschlüsse 14a,
von denen die hochviskose Flüssigkeit
aus geliefert wird, wünschenswerter
Weise groß im
Durchmesser, um einen Druckverlust an den zweiten Flüssigkeitszufuhranschlüssen 14a zu
verhindern.
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Da
parallel dazu Strömungen
gleicher Anzahl wie die jeweiligen zweiten Flüssigkeitszufuhranschlüsse 14a der
zweiten Flüssigkeitszuführungen 14,
die in einer Reihe quer im Mikrofluidchipkörper 10 ausgebildet
sind, gebildet werden, wird eine geschichtete Strömung 15a im
Bereich 15 zur Bildung der laminaren Strömung gebildet,
wobei die erste und die zweite Flüssigkeit abwechselnd zueinander
angeordnet sind, wie in den 7 und 9 gezeigt. Das
heißt,
der Grund für
das Vorsehen des Bereichs 15 zur Bildung der laminaren
Strömung
liegt darin, dass eine laminare Strömung 15A erzeugt wird,
in der die ersten und zweiten Flüssigkeiten
abwechselnd zueinander angeordnet sind.
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Die
laminare Strömung 15A ist
spezifisch so konfiguriert, dass die in Strömungen unterteilte zweite Flüssigkeit
B von der ersten Flüssigkeit
A umgeben wird, sodass es möglich
ist, dass das Verhältnis der
Kontaktflächen
zum Gesamtvolumen der beiden Sorten von Flüssigkeiten erhöht ist.
Als Ergebnis wird eine molekulare Diffusion, die auf den jeweiligen Kontaktoberflächen erzeugt
wird, aktiviert, um das Ausmaß an
molekularer Diffusion in einem bestimmten Zeitintervall zu erhöhen, sodass
der Mikrofluidchip mit hoher Effizienz arbeitet (bei gleichem Volumen
ist die Effizienz des Mikrofluidchip proportional zu der Anzahl
der Schichten der laminaren Strömung 15A).
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Die
laminare Strömung 15A,
die in dem Bereich 15 zur Bildung der laminaren Strömung gebildet wird,
fließt
anschließend
in den Bereich 16 zur Abflachung der Strömung.
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Wie
in 10 gezeigt, die einen senkrechten Schnitt entlang
der Schnittflächenlinie
VII-VII in 3 darstellt, ist die laminare
Strömung 15A in
ihrer Tiefe gesteigert und in der Strömungskanalbreite im Bereich 16 zum
Abflachen der Strömung
eingeengt.
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In
diesem Fall bleibt die Querschnittsfläche des Strömungskanals konstant (Querschnittfläche S1 =
S2), sodass die Querschnittsfläche
in einer Richtung, die die Strömungsrichtung
schneidet im Wesentlichen sowohl auf einer Seite (Querschnittsfläche S1)
stromauf zu dem Bereich 15 zur Bildung einer laminaren
Strömung
und auf einer Seite (Querschnittsfläche S2) stromab zum Verarbeitungsbereich 17 gleich
sind.
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Dadurch
wird die Strömung
in dem Strömungskanal
im Zustand einer laminaren Strömung gehalten,
selbst wenn die Tiefe H des Strömungskanals
vergrößert wird,
sodass die laminare Strömung 15A nicht
turbulent gemacht wird und die molekulare Diffusion nicht gestört wird.
Als ein Ergebnis wird der Druckverlust nicht erhöht, die Diffusionslänge wird verkürzt, und
es wird möglich,
ein Mischen von Flüssigkeiten
mit hoher Geschwindigkeit durchzuführen. Das heißt, der
Bereich 16 zum Abflachen der Strömung ist ein Bereich mit verkürzter Diffusionslänge, der
die Funktion hat, einen Anstieg des Druckverlustes zu verhindern.
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Der
Bereich 16 zum Abflachen der Strömung hat vorzugsweise in Stromabrichtung
eine etwas vergrößerte Querschnittsfläche (Querschnittsfläche S2 > S1). Es reicht aus,
dass die Querschnittsform des Bereichs 16 zum Abflachen
der Strömung
entsprechend der Dicke des Mikrofluidchipkörpers 10 bestimmt
wird, entsprechend der Länge
des weiter unten beschriebenen Verarbeitungsbereichs 17.
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Während der
Bereich 16 zum Abflachen der Strömung eine halbkreisförmige Form
aufweist wenn man den Mikrofluidchipkörper 10 in 3 von
vorne betrachtet, ist dieser Bereich nicht: auf diese Form beschränkt, sondern
der Bereich kann ebenfalls eine dreieckige Form aufweisen. Ebenfalls
kann im Falle einer hinreichend kleinen Reynoldszahl, wie bei einer geringen
Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung oder
dergleichen, eine Form, wie beispielsweise eine halbkreisförmige Form,
eine dreieckige Form oder dergleichen, eine abgestufte Form mit
kleiner Stufenlänge
und eine leichte Neigung in Tiefenrichtung simulieren.
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Die
durch den Bereich 16 zur Bildung der laminaren Strömung geflossene
Flüssigkeit
bewegt sich in den Verarbeitungsbereich 17.
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Der
Verarbeitungsbereich 17 hat an der Verbindungsstelle mit
dem Bereich 16 zum Abflachen der Strömung in einer die Strömung schneidenden Richtung
bis zum Flüssigkeitsauslassbereich
(Flüssigkeitsablassanschluss) 18 die
gleiche Breite und Tiefe wie diese.
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Die
Querschnittsform des Strömungskanals wird
beibehalten, um die Verarbeitung zu erleichtern und um die Berechnung,
durch die ein gemischter Zustand von Flüssigkeiten abgeleitet wird,
zu vereinfachen. Wenn jedoch der Mikrofluidchipkörper 10 etwas dicker
sein kann, kann die Strömungskanaltiefe H
des Bereichs 16 zur Abflachung der Strömung erhöht werden, um das Verhältnis der
Berührungsfläche zum
Gesamtvolumen der laminaren Strömung 15A zu
erhöhen,
sodass es ebenfalls möglich
ist, die Mischkapazität
zu erhöhen.
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Das
Mischen der Flüssigkeiten
wird während des
Durchgangs durch den Verarbeitungsbereich 7 vollständig abgeschlossen,
und die verarbeitete Flüssigkeit,
welche gleichmäßig vermischt
wurde, wird durch den Flüssigkeitsablaufbereich 18 aus
dem Apparat heraus abgelassen. Ein (nichtgezeigter) Flüssigkeitsablaufanschluss
ist am Adapter 50 an einer Stelle vorgesehen, die dem Flüssigkeitsablaufbereich 18 entspricht,
wobei die verarbeitete Flüssigkeit durch
den Ablaufanschluss für
die verarbeitete Flüssigkeit
abgelassen wird.
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Bei
dieser Ausführungsform
kann das Mischen mit Flüssigkeiten
mit hoher Effizienz, verglichen mit dem Mischen in einer einfachen
laminaren Strömung,
bei der zwei Flüssigkeiten
abwechselnd. in dem Verarbeitungsbereich 17 vorgesehen
sind, erfolgen, da die hochviskose Flüssigkeit von der niederviskosen
Flüssigkeit
umgeben wird, um das Berührungsflächenverhältnis zu
steigern und wobei die hochviskose Flüssigkeit und die niederviskose
Flüssigkeit
zu einer verengten laminaren Strömung
zusammengeführt
werden.
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Es
ist ebenfalls möglich
eine kontinuierlich verarbeitete Flüssigkeit zu erhalten, die das
gewünschte
Mischverhältnis
aufweist und eine verarbeitete Flüssigkeit zu erhalten, die in
einem gewünschten
Umfang reagiert hat, da die hochviskose Flüssigkeit keine Stagnation aufgrund
von Druckverlust während
des Fließens
erfährt
und das Verhältnis von
hochviskoser Flüssigkeit
zu niederviskoser Flüssigkeit
zwischen einer stromaufgelegenen Seite und einer stromabgelegenen
Seite nicht verändert
wird. Bei dem Mikrofluidchip 1 gemäß der oben beschriebenen Ausführungsform
macht es ein einzelner Chip möglich
mit hoher Geschwindigkeit und gleichmäßig mehrere Flüssigkeiten
zu mischen und miteinander reagieren zu lassen, wobei die Flüssigkeiten
hochviskose Flüssigkeiten
umfassen, bei einer Verarbeitungsflussrate von mehreren zehn ml/Min.
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Ebenso
werden ein Vielzahl von Auslassstutzen gebildet, deren Größe leicht
zu bearbeiten ist. Eine laminare Strömung 15A, in der eine
Mehrzahl von Strömungen
mit hochviskoser Flüssigkeit
umgeben von niederviskoser Flüssigkeit,
die parallel zueinander angeordnet sind, wird gebildet, und Mischen
und Reagieren mit hoher Geschwindigkeit kann realisiert werden indem
die Strömungen
eingeengt werden, sodass ein Mikrofluidchip ohne anspruchsvolle
Herstellungstechniken hergestellt werden kann.
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Während der
Verarbeitungsbereich 17 bei dieser Ausführungsform eine gradlinige
Form hat ist es auch möglich,
ihm eine andere Form zu geben, wie beispielsweise eine Spiralform,
eine Meanderform oder dergleichen, wenn beabsichtigt wird, ein Stagnationszeitintervall
zu berechnen, welches erforderlich ist, um das Mischen abzuschließen, und
um dadurch eine hinreichend große
Strömungskanallänge im Mikrofluidchipkörper 10 sicherzustellen.
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Wenn
Flüssigkeiten
in den Zustand einer laminaren Strömung versetzt werden, bestimmt
sich die Mischungskapazität
des Mikrofluidchips 1 durch die Anzahl der Schichten in
der laminaren Strömung 15a und
durch das Verhältnis
der Strömungskanalbreite
vor und hinter dem Bereich 16 zum Abflachen der Strömung. Daher
sind enge Düsen
und Nuten wie in herkömmlichen
Mikrofluidchips nicht notwendigerweise erforderlich, und die jeweiligen
Düsen und
Nuten können
eine Leistungsfähigkeit
wie eine Kombination von Düsen
und Nuten aufweisen in der Größenordnung
von mehreren hundert Mikrometern bis zu einigen Millimetern, so
dass die Funktionsfähigkeit
exzellent ist.
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Während die
Strömung 15a in
der in 3 gezeigten Ausführungsform quer angeordnet
ist, so kann diese in einer dicken Richtung des Mikrofluidchipkörpers 10 angeordnet
sein, d. h. in Längsrichtung
so ausgerichtet, dass die Y- und die Z-Richtung um 90 Grad um eine
X-Achse gedreht sind und derart, dass die Y-Achse in der Z-Richtung
von 3 verläuft.
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Während das
Ausführungsbeispiel
im Zusammenhang mit dem Mischen von zwei Flüssigkeiten beschrieben wurde,
können
für den
Fall, dass drei oder mehr Flüssigkeiten
gemischt werden sollen, zusätzliche
Elemente hinzugefügt
werden, die den zweiten Flüssigkeitszuführungen 14 und
den zweiten Flüssigkeitsabdeckungsbereichen 32 hinzugefügt werden,
je nach Anzahl der zu mischenden Flüssigkeiten. In diesem Fall
wird einer Flüssigkeit,
die die niedrigste Viskosität
unter den verwendeten Flüssigkeiten
hat, von der ersten Flüssigkeitszufuhr 12 geliefert,
und die weiteren Flüssigkeiten
werden aufeinanderfolgend in der Reihenfolge ihrer steigenden Viskosität zugeführt.
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11 zeigt
einen Vorsprung 20 für
jeden Zwei-Flüssigkeitsablaufanschluss 14a.
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Die
Abdeckung 30 hat die Form einer flachen Platte ohne die
jeweiligen Abdeckungsbereiche für die
zweite Flüssigkeit
wie in 8, und der Vorsprung 20 hat eine Höhe, die
bis zur Abdeckung 30 reicht, und gemäß der vorliegenden Erfindung
ist eine Schräge 24 vorgesehen,
die sich von einer stromauf gelegenen Seite des zweiten Ablaufanschlusses 14a auf
der oberen Oberfläche 20a des Vorsprungs 20 aus
bis zu einer stromab gelegenen Seite erstreckt und auf den Boden
der Vertiefung 21 gerichtet ist.
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Wenn
die Abdeckung 30 in Form einer flachen Platte darauf montiert
ist, definiert die Abschrägung 24 eine Öffnung K
zwischen ihr und der Abdeckung 30, um den zweiten Ablaufanschluss 14a herum,
wie in 11 gezeigt, die eine geschnittene
Teilansicht des Mikrofluidchips zeigt.
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Wenn
die erste Flüssigkeit
A mit geringer Viskosität
von der ersten Flüssigkeitszufuhr 12 zugeführt wird,
kontaktiert diese zuerst, wie durch die Pfeile in der Figur angedeutet
ist, das stromauf gelegene Spatzenende des Vorsprungs 20,
um in einen rechten und einen linken Strom aufgeteilt zu werden.
Ein Teil der aufgeteilten Flüssigkeiten
fließt
zu dem Bereich 15 zum Abflachen der Strömung, so wie sie ist, und ein
anderer Teil strömt
durch die Öffnung
K zwischen der geneigten Fläche 24 und
der Abdeckung 30 derart, dass die obere Oberfläche der
Vertiefung 21 abgedeckt wird, und bildet eine Dachströmung der ersten
Flüssigkeit,
und anschließend
strömt
die erste Flüssigkeit
in den Bereich 15 zum Abflachen der Strömung.
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Wenn
die zweite Flüssigkeit
B mit hoher Viskosität
in diesem Zustand zugeführt
wird, ist es möglich,
eine Strömung
zu bilden, bei der die zweite Flüssigkeit
B mit hoher Viskosität
von der erste Flüssigkeit
A mit niedriger Viskosität
umgeben wird, um einen Anstieg des Druckverlustes zu verhindern,
der durch den Kontakt zwischen der hochviskosen Flüssigkeit
B und den Wandoberflächen
des Strömungskanals
hervorgerufen würde.
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Im
Vergleich zu 8 reicht es erfindungsgemäß aus, dass
die Abdeckung 30 die Form einer flachen Platte hat, und
somit kann ein Bearbeiten um die zweiten Flüssigkeitsabdeckungsbereiche 32 und den
Bereich zum Abdecken der Strömungskanäle 33 auf
der Rückseite
der Abdeckung weggelassen werden, und die Produktivität sollte
somit exzellent sein. Ferner, da es nicht notwendig ist, die zweiten
Flüssigkeitsabdeckungsbereiche,
wie in 8 gezeigt, auf den Vorsprung 20 korrekt
aufzusetzen, ist ein Positionieren während des Zusammenbaus leicht.
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Ferner,
da es ausreicht, eine Dachströmung der
ersten Flüssigkeit
zu bilden, die durch die Öffnung
K zwischen der Abschrägung 24 und
der Abdeckung 30 strömt,
die so fließt,
dass sie die obere Oberfläche
der Vertiefung 21 abdeckt, kann die Neigung 24 so
eingestellt werden, dass sie eine optimale Form aufweist.