JP2002215241A - 流量の制御方法及びそれに用いるマイクロバルブ - Google Patents

流量の制御方法及びそれに用いるマイクロバルブ

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 機械的素子や特殊な材料を用いることなく、
流路中を通る流体自体の物性を利用して微小流路の流量
を制御しうる新規な方法を提供する。 【解決手段】 断熱性固体基板に穿設した微小流路に、
熱により可逆的に固液相転移しうる流体を流しながら、
相転移点以下に冷却して生成した固体をもって流路を閉
塞し、また相転移点以上に加熱して流路を開放すること
により微小流路内の流体の流量を調節する。またそれに
用いるマイクロバルブとして、断熱性固体基板に穿設さ
れた微小流路、その流路内に充填された熱により可逆的
に固液相転移しうる流体及びその微小流路の適所に配置
された流体を加熱及び冷却しうる温度制御手段から構成
されたものとする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、微小流路内を通る
流体の流量を何ら機械的な開閉機構を用いずに任意に調
節しうる流量の制御方法及びそれに用いるマイクロバル
ブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】これまで微小流路内の流量の制御は、普
通寸法の装置に用いられているバルブ機構を単に小型化
したものや、膜状の弁を利用した開閉機構を用いて行わ
れている。しかしながら、これらの方法は、いずれも機
械的な動作要素を必要とするため、長期間にわたって使
用すると部品の摩耗や腐食により精度が低下するのを免
れない上に、摩耗や腐食が著しくなると流体の漏れを生
じるおそれがある。しかも、動作部分にはアクチュエー
タが用いられるため、機構自体が複雑化し、また所望の
流量が得られるようにバルブの開閉状態を調整するに
は、特殊な制御機構を用いなければならないため、連続
的流量制御には構造が著しく複雑化するという欠点があ
る。
【０００３】他方、化学ＩＣ内部にある複数の流路を動
的に切り替え、反応系の動的改変を行うために、形状記
憶合金を利用したマイクロ切り替えバルブチップも提案
されているが、この方法も形状記憶合金という特殊な材
料を用いる必要がある上に、光硬化性樹脂をもって特定
形状の弁を成形しなければならないという煩雑さを伴
い、実用に供するにはいくつかの解決しなければならな
い問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の微小
流路の流量制御方法における欠点を克服し、機械的素子
や特殊な材料を用いることなく、流路中を通る流体自体
の物性を利用して微小流路の流量を制御しうる新規な方
法を提供することを目的としてなされたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明者は、微小流路内
の流量を制御する方法について種々研究を重ねた結果、
可逆的に固相−液相変化しうる流体を流路に通し、流路
中の適所にこの流体を冷却及び加熱する機構を設けて、
流体自体の固相化状態を任意に形成させ、その固相をも
って流路を遮断し、流れを阻止すれば、流体の流量を連
続的に変えうることを見出し、この知見に基づいて本発
明をなすに至った。
【０００６】すなわち、本発明は、断熱性固体基板に穿
設した微小流路に、熱により可逆的に固液相転移しうる
流体を流しながら、相転移点以下に冷却して生成した固
体をもって流路を閉塞し、また相転移点以上に加熱して
流路を開放することにより微小流路内の流体の流量を調
節することを特徴とする流量の制御方法、及び断熱性固
体基板に穿設された微小流路、その流路内に充填された
熱により可逆的に固液相転移しうる流体及びその微小流
路の適所に配置された流体を加熱及び冷却しうる温度制
御手段から構成されたマイクロバルブを提供するもので
ある。
【０００７】
【発明の実施の形態】次に、添付図面に従って本発明方
法をさらに詳細に説明する。図１は、本発明方法の基本
理論を説明するための斜視図であって、断熱性材料で構
成した基体１に微小流路２が穿設され、その微小流路２
の両側面に温度制御機構４，４′が配置されている。そ
して、この微小流路２に可逆的に固液相転移可能な流体
３を転移点以上の温度を維持して流すと、この微小流路
２には流体３が液相を保ち、自由に流通するが、温度制
御機構４，４′を作動し、流体３を転移点よりも低く冷
却すると、この位置で固相に変化し、流れが阻止され、
閉止状態となる。次に、温度制御機構４，４′を作動さ
せて、流体３を転移点以上に加熱すると、固相は液相に
変化し、流体３は自由に流れるようになり、開放状態と
なる。
【０００８】本発明方法において、固体基板１を形成す
る材料としては、断熱性材料、例えばセラミックス、プ
ラスチック、黒鉛、木材などが好ましいが、断熱加工し
た金属も用いることができる。次に、この断熱性材料に
穿設される微小流路としては、表面を掘削した条溝や内
部を貫通した管路を挙げることができ、これらの寸法と
して径０．１〜１ｍｍの範囲が選ばれる。また、流体と
しては、可逆的固液転移性感熱樹脂、例えばポリ（ジイ
ソプロピルアクリルアミド）、高級炭化水素油、例えば
パラフィン、低融点合金などが用いられるが、特に感温
性の作用流体が好適である。
【０００９】また、微小流路２の側面に配置される温度
制御機構４，４′としては、冷却・加熱の両方が可能な
ペルチェ素子が好適である。この際、熱容量を大きくす
るために大型素子を用いる必要があって、微小流路２の
近傍に配置できない場合には、基板１より熱伝導率の高
い材料で該素子から流路２まで熱伝導チャンネルを形成
させるのがよい。
【００１０】本発明方法においては、流路２が微小であ
るため、流体の熱容量は小さく、熱伝導も短時間で行わ
れやすいので、温度制御機構４，４′の熱容量を十分に
大きくすれば、凍結、融解を短時間で起させることがで
き、流路の閉止、開放を容易に実現することができる。
この際、流体として転移点以下に冷却できないもの、例
えば気体を用いる場合には、温度制御機構４，４′で囲
まれた個所にだけ、側流としてバルブ作動用液体を流す
ことによって閉止状態を実現することができる。
【００１１】本発明方法においては、流量を連続的に変
化させることもできる。図２は、この方法を説明するた
めの流量の変化を示すグラフである。すなわち、微細流
路２の一方の側面に配置された温度制御機構４を流体の
転移点以下に、他方の側面に配置された温度制御機構
４′を転移点以上に調整すると、図２の実線で示される
ような温度勾配が生じる。そして、転移点以上の範囲で
は流体は円滑に流れるが、転移点以下の範囲では、流体
が凍結し、流れを妨げるので流量は減少する。したがっ
て、このような機構を用い、温度差によって流体の固相
部分の割合を調整すると流量を連続的に変えることがで
きる。
【００１２】
【発明の効果】本発明によると、特別な付属装置を用い
ることなく、単に微小流路内を流れる流体の固液相変化
を利用するだけで、微小流路内の流量制御を行うことが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明方法の基本原理を示す斜視図。
【図２】 流体の流量を連続的に制御する方法を説明す
るための流量変化グラフ。
【符号の説明】
１ 断熱性基板 ２ 微小流路 ３ 流体 ４，４′ 温度制御機構
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１４年１月１５日（２００２．１．１
５）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正内容】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正内容】
【００１１】本発明方法においては、流量を連続的に変
化させることもできる。図２は、この方法を説明するた
めの温度制御機構の断面図及び流路の流れ方向に垂直な
断面内における温度分布を示すグラフである。すなわ
ち、微小流路２の一方の側面に配置された温度制御機構
４を流体の転移点以下に、他方の側面に配置された温度
制御機構４′を転移点以上に調整すると、図２の実線で
示されるような温度勾配が生じる。そして、転移点以上
の範囲では流体は円滑に流れるが、転移点以下の範囲で
は、流体が凍結し、流れを妨げるので流量は減少する。
したがって、このような機構を用い、温度差によって流
体の固相部分の割合を調整すると流量を連続的に変える
ことができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図２
【補正方法】変更
【補正内容】
【図２】 流体の流量を連続的に制御する方法を説明す
るための温度制御機構の断面図及び流路の流れ方向に垂
直な断面内における温度分布を示すグラフ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 浩之 佐賀県鳥栖市宿町字野々下807番地１ 経 済産業省産業技術総合研究所九州工業技術 研究所内 Ｆターム(参考） 3H082 AA25 BB08 CC05 DB01 5H307 AA18 BB05 BB07 BB10 DD11 EE36 EE38 JJ10

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 断熱性固体基板に穿設した微小流路に、
    熱により可逆的に固液相転移しうる流体を流しながら、
    相転移点以下に冷却して生成した固体をもって流路を閉
    塞し、また相転移点以上に加熱して流路を開放すること
    により微小流路内の流体の流量を調節することを特徴と
    する流量の制御方法。
  2. 【請求項２】 冷却又は加熱を徐々に行って、流路断面
    積を連続的に変化させる請求項１記載の流量の制御方
    法。
  3. 【請求項３】 断熱性固体基板に穿設された微小流路、
    その流路内に充填された熱により可逆的に固液相転移し
    うる流体及びその微小流路の適所に配置された流体を加
    熱及び冷却しうる温度制御手段から構成されたマイクロ
    バルブ。
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