JP2004276224A - Electro-osmotic pump filled with fiber - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an efficient electro-osmotic pump, conveying an aqueous solution by electro-osmotic action. <P>SOLUTION: Fibers 26 of silica are disposed in an internal cavity of a tube 12, and electrodes 16, 18 are provided on both ends of the tube 12 to constitute a pump tube 30. A voltage source 20 is connected to one electrode 18, and the other electrode 16 is grounded to generate an electric field. By this electric field, the charged aqueous solution is moved in the pump tube 30. The fibers 26 function as active elements for applying electric charges to a large quantity of aqueous solution. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

によって提供される放物線形状を有しており、ｐは圧力ヘッドで、ａ＞＞λの値が想定されている。このような条件下において、チューブにおける全体の流量Γは
Γ＝∫_０ ^ａ２πｖｒｄｒ＝πａ^２｛ｕ−ｐａ^２／［８Ｌη］｝
によって与えられる。
【０００８】
そのため、ＥＯによる推進が圧力ヘッドを上回る条件は
ａ^２＜４λΣＶ／ｐ
によって与えられる。
【０００９】
前述の式から、大きな圧力ヘッドが望ましい場合、チューブの半径「ａ」は極めて小さくなければならないことが認められる。その結果、処理量（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）は極めて小さい。その他のパラメータを一定とした最適な半径は
ａ^２＝２λΣＶ／ｐ
によって提供され、全体の流量は
Γ＝πａ^２ｕ／２
となる。
【００１０】
前述の式から、電気浸透（ＥＯ）作用は表面作用であることが認められる。そのため、ＥＯ作用は水溶液に対して露出される活性材料の表面積の大きさによって顕著に左右される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述のことに照らせば、本発明の目的は、水溶液をポンピング、圧送する（ｐｕｍｐｉｎｇ）チューブ状の電気浸透ポンプであって、使用されるチューブの単位長さ当りの溶液に露出される活性材料の表面積の大きさを効果的に増大させる電気浸透ポンプを提供することである。本発明の別の目的は断面積を増大した内腔を効果的に使用することができるチューブ状の電気浸透ポンプを提供することである。更に別の本発明の目的はポンプの抵抗加熱および電解によるガスの望ましくない生成を排除するために、電圧の必要量を殆ど、あるいは全く増すことなく効率を上げる電気浸透ポンプを提供することである。本発明の更に別の目的は、ポンプと同様にスイッチ、あるいは弁として色々使用することが可能である電気浸透ポンプを提供することである。本発明の別の目的は、ポンプの作動要素の詰まりを阻止し、低導電性を保持する封入空気アイソレータ（ｔｒａｐｐｅｄ ａｉｒ ｉｓｏｌａｔｏｒ）を効果的に組み込むことが可能である電気浸透ポンプを提供することである。また、本発明の目的は製造が比較的簡単で、使用が容易であり、かつ比較的に費用効果的である電気浸透ポンプを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による電気浸透ポンプは活性要素（例えば、シリカ繊維）と該活性要素が浸漬されている水溶液との間の境界面の面積を顕著に増大させる構造体を提供する。その結果、より多くの水溶液を活性要素によって帯電させることが可能であり、溶液に対してポンピング力（ｐｕｍｐｉｎｇ ｆｏｒｃｅ）を発生させるのに低い電界電荷でも効果がある。
【００１３】
本発明によると、水溶液内で活性要素を保持するための容器が提供される。前記容器はチューブ状であり、該チューブの一端から他端まで延びる軸線を画成する内腔を有していることが好ましい。本発明の好適実施例において、活性要素は相互に紡がれて糸とされた複数の繊維を含む。この糸は、次いでチューブ状の容器の内腔内に位置されてポンプチューブ（ｐｕｍｐ ｔｕｂｅ）を作成する。重要なことは、前記の糸は、その糸の繊維をポンプの管の軸線に対して概ね平行に整合させて、前記ポンプチューブの両端の間で延在することである。次いで、前記ポンプチューブの内腔は前記糸と相互作用する水溶液で充填され該水溶液を帯電させる。本発明に対して、ポンプチューブの軸線に対して垂直の平面から見た前記ポンプチューブの内腔の断面積は「Ａ」に等しい面積を有し、一方この平面における糸の繊維の集合断面積は概ね「Ａ」の半分（すなわち、Ａ／２）に等しくなるよう企図している。
【００１４】
ポンプチューブの内腔において電界を発生させるために、ポンプチューブの各端には電極が位置されている。これらの電極の一方はゼロの電位であり、一方他方の電極は負あるいは正の電位を有し、その結果得られる電界はポンプチューブの軸線に対して概ね平行に向けられることが好ましい。従って、電界がポンプチューブに対して付与されるといつでも、ポンプチューブを通して水溶液を運動させる力が帯電した水溶液において発生する。
【００１５】
延長チューブを組み合わせてポンプチューブの一端に流体連通させて接続させることができる。重要なことは、前記延長チューブがポンプチューブの端において電位Ｖに接続されるかあるいはゼロ電位（接地）に接続されるかによって、該延長チューブがそれぞれゼロ電位（接地）から電圧電位Ｖまでか、あるいはその逆に復帰することである。ポンプチューブと延長チューブとは合わせて本発明による電気浸透ポンプのポンピング部（ｐｕｍｐｉｎｇ ｓｅｃｔｉｏｎ）を画成する。更に、電気浸透ポンプのポンピング力を増大させるために、複数のこれらのポンピング部はポンプチューブと延長チューブとを交互にして直列に共に接続することができる。電圧は直列接続のポンピング部に対して並列に付与することができるので、高電圧を使用する必要性がないことが重要である。
【００１６】
本発明の重要な選択肢は延長チューブに関わる。一実施例においては、延長チューブに水溶液を充填することができる。しかしながら、これは必要条件ではない。特に、水溶液以外の流体をポンピングすることが望ましいような状況においては、延長チューブには少なくとも部分的に気泡を充たしてもよい。そうすれば、気泡は、延長チューブ内のポンピング部によってポンピングされつつあるどんな異なる流体からでも、ポンプチューブにおける水溶液と糸とを遮断する。本発明のその他の選択肢はポンプチューブおよび延長チューブに対する色々な向き並びにそれらのそれぞれの断面積の変更に関わる。本発明に対して検討されているように、これらの色々な向きや変更によって本発明による電気浸透ポンプをポンプとしての従来の使用方法の他に弁あるいはスイッチとして使用できるようにする。
【００１７】
その構造と作動との双方に関しての本発明の新規な特徴並びに本発明そのものは同じ部材を同じ参照記号で指示している添付図面を本発明の説明に関連して検討すれば添付図面から最良に理解される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
先ず図１を参照すれば、本発明による電気浸透（ＥＯ）ポンプの分解図が示され、全体的に１０で指示されている。詳しくは、ＥＯポンプ１０は図１に示す細長いチューブ１２のような容器を含む。本発明の目的に対して、前記チューブ１２には内腔１４が形成され、該チューブ１２はその一端において取り付けられた、すなわち装着された電極１６を有している。チューブ１２はまた、電極１６とは反対側の該チューブ１２の他端において取り付けられた、すなわち装着された電極１８を有している。これらの電極の一方（例えば、電極１６）は接地され、また他方の電極（例えば電極１８）は電圧源２０に接続されている。この構造により、チューブ１２の内腔１４において電界Ｅを発生させる電圧電位を電極１８に位置させることができる。重要なことは、電界Ｅが全体的に前記チューブ１２の軸線２２に対して平行の方向に指向されることである。
【００１９】
引き続き図１を参照すると、本発明によるＥＯポンプ１０は、複数の個々の繊維２６から紡がれた糸２４を含む。繊維２６は、水溶液と接触すると該水溶液において電荷を発現させるシリカ、あるいは当該技術分野で周知のその他の何らかの活性材料から作ることが好ましい。本発明のＥＯポンプ１０に対して、糸２４にどのような活性材料が使用されようとそれには関係なく糸２４の直径２８は細長いチューブ１２の内腔１４の直径と概ね同じであると想定する。また、糸２４の長さもチューブ１２の長さと概ね同じである。このように、図１に示すように、糸２４はチューブ１２の内腔１４に挿入され、電極１６と１８との間で該内腔内に位置させることができる。糸２４が前記チューブ１２の内腔１４に位置されると、組み合わされて前記ＥＯポンプ１０のこれらの構成要素がポンプチューブ３０を形成する。
【００２０】
図２を参照すれば、本発明はポンプチューブ３０を延長チューブ３２に流体連通関係で接続させていることが判る。図２に示すように、ポンプチューブ３０と延長チューブ３２との組み合わせ体に対して、水溶液３４がポンプチューブ３０と延長チューブ３２との双方を充たし、それらは共通の電極（例えば、電極１８）を有する。共通の電極１８とは反対の側にある延長チューブ３２の端部において、別の接地された電極１６′を使用することが可能なことが注目される。このような組み合わせにおいて、チューブ３０とチューブ３２とは一緒になってポンピング部３６を形成する。本発明に対して、ポンピング部３６は独立して使用することができるよう意図している。また、ポンピング部３６は、接地された電極（例えば、電極１６）を電圧源２０（例えば電極１８）の間に位置させるよう変更させて他のポンピング部３６と端と端を合わせて位置させることができる。このようにして、ポンピング部３６は追加の電圧を必要とすることなくポンピング圧力ヘッドを増すように直列で整合させることができる。
【００２１】
引き続き図２を参照すれば、ＥＯ作用を発生させるために必要な水溶液３４以外の液体３８をポンピングする上で効果的なＥＯポンプ１０を企図していることが認められる。特に、万一相互に接触するようになると糸２４を閉塞しようとする傾向のある液体３８（例えば、血液）をポンピングすることが必要となるようなことも起こりうる。そのような状況に対しては、本発明は糸２４と水溶液３４とを異なる液体３８から効果的に遮断する気泡４０を延長チューブ３２において発生させることを想定している。ポンプチューブ３０におけるＥＯ作用によって水溶液３４に対して発生する圧力は気泡４０を介して異なる液体３８に効果的に伝送されることは数学的に示すことができる。このことを念頭におけば、本発明の重要性はＥＯ作用によってポンプチューブ３０において発生しうる圧力を増大させることである。
【００２２】
図３に示すように、軸線２２に対して垂直の平面において「Ａ」の値の断面積を有する内腔１４に対して、この同じ平面における繊維２６の集合断面積は約「Ａ／２」に等しいことに注目することが興味深い。数学的には、得られたＥＯ作用に対するこの関係の結果は意義がある。例えば、糸２４が緊密に装嵌されたチューブ１２に位置されている状況を検討してみよう。糸２４における繊維の数Ｎは式
Ｎ＝ｂ^２／［２ａ^２］
を満足させる。ここで内腔１４の直径２８は「２ｂ」の値に等しく（すなわち、半径は「ｂ」である）、個々の繊維２６は各々半径「ａ」を有している。そうすれば、糸２４における繊維２６の間にある微小流路の容積は繊維２６の容積に概ね等しいことになる。このように、流路は集合的に、平均して半径「ａ」を有するチューブとして作用する。チューブ１２を通しての全体の流量は
Γ＝［πｂ^２／２］｛ｕ−ｐａ^２／［８Ｌη］｝
によって提供される。ここではｐは圧力ヘッドであり、Ｌはチューブ１２の長さであり、ηはチューブ１２における流体の粘度である。この式は、圧力ヘッドｐは繊維２６の半径「ａ」によって決まるが、流量（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）Γはチューブの直径２８によって決まることを示している。このように、たとえ大きな圧力ヘッドｐであっても、大きな流量は可能となる。
【００２３】
ポンピング部３６の構造、および数個のポンピング部３６を組み合わせて単一のＥＯポンプ１０に一体化することについて本発明によって数種の変形が示されている。図４に示す一変形においては、ポンピング部３６は梯子状構造に配置することができる。そのような構造は直列に接続されたポンピング部３６の全長を効果的に短縮する。詳しくは、図４に示す全体的に梯子状の配置において、一連の平行なポンプチューブ３０を一連の相互に平行である延長チューブ３２の間に交互に配置させることができる。このような配置においては、順次の延長チューブ３２を相互に分離するために、図示のような仕切り４２を使用する必要がある。そうすれば、梯子状配置の脚４４および４６はそれぞれ（電圧源２０に接続された）電極１８および（接地された）電極１６として使用することができる。図５に示す別の組み合わせにおいて、一方のポンプチューブ３０ａを別のポンプチューブ３０ｂに接続してＹ字形導管の２個の脚を形成することができる。この組み合わせにおいては、導管の基部は延長チューブ３２として形成することができる。そうすれば、ポンプチューブ３０ａおよび３０ｂのそれぞれの電極１８ａおよび１８ｂにどの程度の電圧電位が付与されるかによって、水溶液３４は矢印４７ａおよび４７ｂによって指示される方向に選択的に推進することができる。
【００２４】
気泡４０を取り込んだＥＯポンプ１０の構造の代替実施例が図６に示されている。本実施例については、気泡４０を位置させるべき延長チューブ３２′の部分に弁４８が関連していることが判る。こうして、気泡４０は弁４８を介して延長チューブ３２′中へ注入することができる。その後、気泡４０を弁４８によって調整し、かつ制御することができる。代替的に、かつ特に図２に示す線形ＥＯポンプ１０については、気泡４０は注射器タイプの器具（図示せず）を使用することによって延長チューブ３２内に位置させることができる。
【００２５】
本発明の効果は例えば図７に示すような試験装置を使用することによって示すことができる。この装置においては、２個の概ね平行で、垂直方向に向けられたリザーバ５０および５２がポンプチューブ３０を介して相互に接続されている。各リザーバ５０，５２は１５ミリメートル（１５ｍｍ）である内径５４を有し、ポンプチューブ３０は５センチメートル（５ｃｍ）である長さ５６と３ミリメートル（３ｍｍ）である内径５８とを有している。ポンプチューブ３０における糸２４は直径が概ね５ミクロン（５μｍ）であるシリカの繊維から紡がれている。実験（デモ）用として、電極１６および１８はリザーバ５０，５２の水溶液３４に位置されたプラチナワイヤとしうる。前述したように、この配置はポンプチューブ３０において電界Ｅを形成する電圧電位を電圧源２０と接地との間で発生させる。そうして、電極６０ａおよび６０ｂをリザーバ５０，５２中へ挿入し、電界Ｅを測定するために電圧計６２に接続することができる。
【００２６】
図７に示す装置によるＥＯ作用を検査するために、ポンプチューブ３０とリザーバ５０，５２とには脱イオン水（水溶液３４）が充たされる。リザーバ５０，５２における水のレベルが同等のレベルまで落ち着いた後、電圧源２０をオンにする。次いで、２個のリザーバ５０，５２の間の水のレベル差が時間の関数として測定される。
【００２７】
理論的な分析によれば、水レベルの差ｙは
ｙ＝ｙ_０｛１−ｅｘｐ［−ｔ／τ］｝
のように挙動すべきであって、但し、
ｙ_０＝４λΣＶ／［ａ^２ρｇ］
τ^−１＝ｂ^２ａ^２ρｇ／［１６Ｒ^２ηＬ］
実験データを使用して上記の式［１］からｙ_０およびτの値を取得する。値のセットの例はｙ_０＝４．８２センチメートルおよびτ＝３．４８×１０^４秒である。実験パラメータで、Ｖ＝６５ボルト、ｂ＝１．５ミリメートル、Ｒ＝７．５ミリメートル、Ｌ＝５センチメートル、η＝１０^−３ｋｇ／ｍｓおよびρｇ＝１０^４ｈｇ／ｍ^２ｓ^２を使用すると、
λΣ＝１．１×１０^−１０クーロン／ｍ
ζ＝λΣ／ε＝１５５ｍＶ
ａ＝７．５×１０^−６ｍ
ρｇｙ_０／Ｖ＝７．５パスカル／ボルト
を得ることができる。
【００２８】
λ、Σおよびζの値はシリカについては合理的である。粘性の流量がａ^４によって加重され、一方面積がａ^２によって加重されるという事実を考慮すれば有効流路の半径「ａ」も合理的である。しかしながら、糸２４における流路の半径がある程度統計的に配分されており、ポンプチューブ３０の有効半径の値はその面積から推定した値よりも大きくあるべきである。
【００２９】
実験したこところでは、５ミクロンの半径を備えた通常のチューブと等しい圧力ヘッドが７．５ミリメートルの半径を備えたポンプチューブ３０によって得られることを示している。また、ポンプチューブ３０の容積流量は半径「ａ」の単一の通常のチューブと比較して、ｂ^２／２ａ^２＝２×１０^４倍である。このように、実験結果はポンプチューブ３０が高圧ヘッドと大量の容積流量とを同時に発生させることができることを確認している。
【００３０】
本明細書で示し、かつ詳細に説明した特定の繊維充填電気浸透ポンプは十分に前述した目的を達成し、かつ利点を提供することが可能であるが、それは単に本発明の現在好適な実施例を例示しているのみであり、特許請求の範囲に記載以外は本明細書で示した構造や構成の詳細に何ら限定されないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電気浸透ポンプの分解斜視図であって、ポンプチューブの内腔の内側に位置される前の活性材料による糸を示す。
【図２】端と端を接続した複数のポンピング部を組み込んだ本発明による電気浸透ポンプの好適実施例の側面図である。
【図３】図２の線３−３に沿ったポンプチューブの断面図である。
【図４】本発明の代替実施例の平面図である。
【図５】弁あるいはスイッチとして有用である本発明の代替的実施例の平面図である。
【図６】本発明による電気浸透ポンプへ組み込むことが可能である空気アイソレータの側面図である。
【図７】本発明の効果を検査する実験装置を示す。
【符号の説明】
１０ 電気浸透（ＥＯ）ポンプ
１２ チューブ
１４ 内腔
１６，１８ 電極
２０ 電圧源
２４ 糸
２６ 繊維
３０ ポンプチューブ
３２ 延長チューブ
３４ 水溶液
３６ ポンピング部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates generally to fluid pumps. In particular, the present invention relates to electro-osmotic pumps useful for transporting aqueous solutions in micro-fluidics. The present invention is particularly, but not exclusively, useful as an apparatus and method for enhancing the pumping capacity of an electro-osmotic pump.
[0002]
[Prior art]
It is known that liquids can move through small diameter tubes under the influence of an applied electric field by a phenomenon commonly known as electroosmosis (EO). In particular, the EO effect arises from the fact that when an aqueous solution contacts certain active materials (acidic or caustic), the solution is charged. If an acidic active material such as silica is used, the aqueous solution will be positively charged. On the other hand, if caustic material is used, the solution will be negatively charged. In either case, the application of an electric field to the charged solution creates a force in the solution that moves it.
[0003]
In EO action, only a very thin layer of the solution in direct contact with the active material becomes charged. Typically, this layer of the charged solution has a very shallow depth approximately equal to the Debye length (eg, 10 nm). As a result, only a relatively small volume of the solution can be charged by the EO action. Nevertheless, in order to be able to move the aqueous solution through the tube, despite the small amount of solution being charged, the force generated in the charged solution by the applied electric field simply exceeds the pressure head in this tube There is a need.
[0004]
Although EO effects can be used effectively for microfluidic device engineering, it is well known that there are certain important limitations. Most notably, these limitations are related to the size of the available tubing and the magnitude of the electric field that can be used to propel the charged aqueous solution through the tubing. As far as the electric field is concerned, the high current density that generates this electric field is undesirable for at least two reasons. First, the high current density can cause the solution in the tube to be overly resistively heated. Second, the high current density at the electrode that generates the electric field can generate gas in the tube by electrolysis of water. This destroys the electric field. As far as the size of the tube is concerned, the pressure head in the tube that resists the movement of liquid through the tube is of utmost importance. Heretofore, small-diameter (typically, radii must be less than 10-20 microns) tubes have been required in order for the EO effect to be useful in overcoming pressure heads. . With this in mind, a mathematical analysis of the EO effect and its interaction with the resistive pressure head in the tube is beneficial.
[0005]
For an example of conventional flow in a tube flowing by EO action while resisting a pressure head, consider a tube made of an EO active material, such as silica, having a lumen of radius "a". I will try.
[0006]
In a thin layer near the wall of the tube, the flow velocity u of the flow by the EO driven by the electric field is given by the equation u = λΣV / 2ηL
Where λ is the thickness of the layer (typically 10 nm), Σ is the charge density of the wall (typically 10 ⁻² coulomb / m ² ), V is the voltage, η is the viscosity of the fluid, and L is The length of the tube. Speed is
ζ = λΣ / ε
Can be expressed in terms of zeta potential ζ defined as ε is the dielectric constant of the fluid.
[0007]
Poiseille flow, which is propelled by the pressure head and resists the EO flow described above,

Where p is a pressure head and a value of a >> λ is assumed. Under such conditions, the total flow rate in the tube Γ is: = { ₀ ^a 2πvrdr = π a ² {u-pa ² / [8Lη]}
Given by
[0008]
Therefore, the condition that the propulsion by EO exceeds the pressure head is a ² <4λΣV / p
Given by
[0009]
From the above equation, it is recognized that if a large pressure head is desired, the radius "a" of the tube must be very small. As a result, the throughput is extremely small. The optimum radius with other parameters being constant is a ² = 2λΣV / p
And the overall flow rate is Γ = πa ² u / 2
It becomes.
[0010]
From the above equation, it can be seen that the electroosmotic (EO) effect is a surface effect. Therefore, the EO action is significantly influenced by the size of the surface area of the active material exposed to the aqueous solution.
[0011]
[Problems to be solved by the invention]
In light of the foregoing, it is an object of the present invention to provide a tubular electroosmotic pump for pumping an aqueous solution, wherein the active material is exposed to the solution per unit length of tubing used. An object of the present invention is to provide an electroosmotic pump that effectively increases the size of the surface area. Another object of the present invention is to provide a tubular electro-osmotic pump that can effectively use a lumen having an increased cross-sectional area. It is yet another object of the present invention to provide an electroosmotic pump that increases efficiency with little or no increase in voltage requirements to eliminate the undesirable generation of gases due to resistive heating and electrolysis of the pump. . Yet another object of the present invention is to provide an electro-osmotic pump that can be used in various ways as a switch or valve as well as a pump. It is another object of the present invention to provide an electroosmotic pump that can effectively incorporate a trapped air isolator that prevents clogging of the operating elements of the pump and maintains low conductivity. is there. It is also an object of the present invention to provide an electroosmotic pump that is relatively simple to manufacture, easy to use, and relatively cost effective.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The electroosmotic pump according to the present invention provides a structure that significantly increases the area of the interface between the active element (eg, silica fibers) and the aqueous solution in which the active element is immersed. As a result, more aqueous solution can be charged by the active element, and low field charges are effective in generating a pumping force on the solution.
[0013]
According to the present invention, there is provided a container for holding an active element in an aqueous solution. Preferably, the container is tubular and has a lumen defining an axis extending from one end of the tube to the other. In a preferred embodiment of the invention, the active element comprises a plurality of fibers spun together into a thread. This thread is then positioned within the lumen of the tubular container to create a pump tube. Importantly, the yarn extends between the ends of the pump tube with the yarn fibers aligned generally parallel to the axis of the pump tube. Next, the lumen of the pump tube is filled with an aqueous solution that interacts with the yarn and charges the aqueous solution. For the present invention, the cross-sectional area of the bore of the pump tube as viewed from a plane perpendicular to the axis of the pump tube has an area equal to "A", while the collective cross-sectional area of the yarn fibers in this plane Is intended to be approximately equal to half of “A” (ie, A / 2).
[0014]
Electrodes are located at each end of the pump tube to generate an electric field in the lumen of the pump tube. Preferably, one of these electrodes is at zero potential, while the other electrode has a negative or positive potential, and the resulting electric field is directed generally parallel to the axis of the pump tube. Thus, whenever an electric field is applied to the pump tube, a force is generated in the charged aqueous solution that moves the aqueous solution through the pump tube.
[0015]
An extension tube can be combined and connected to one end of the pump tube in fluid communication. Importantly, depending on whether the extension tubing is connected to a potential V at the end of the pump tubing or to zero potential (ground), the extension tubing will each go from zero potential (ground) to a voltage potential V. Or vice versa. The pump tube and the extension tube together define a pumping section of the electro-osmotic pump according to the present invention. Further, to increase the pumping power of the electro-osmotic pump, a plurality of these pumping sections can be connected together in series with alternating pump and extension tubes. It is important that there is no need to use a high voltage, as the voltage can be applied in parallel to the series connected pumping sections.
[0016]
An important option of the present invention involves an extension tube. In one embodiment, the extension tube can be filled with an aqueous solution. However, this is not a requirement. In particular, in situations where it is desirable to pump a fluid other than an aqueous solution, the extension tube may be at least partially filled with air bubbles. The bubbles then block the aqueous solution and the thread in the pump tube from any different fluid being pumped by the pumping section in the extension tube. Other options of the present invention involve varying the orientation of the pump and extension tubes and their respective cross-sectional areas. As discussed for the present invention, these various orientations and modifications allow the electroosmotic pump according to the present invention to be used as a valve or switch in addition to its conventional use as a pump.
[0017]
The novel features of the invention, both as to its structure and operation, as well as the invention itself, are best understood from the following drawings when considered in conjunction with the description of the invention when referring to the accompanying drawings, in which like parts are designated with like numerals. Understood.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Referring first to FIG. 1, there is shown an exploded view of an electro-osmosis (EO) pump according to the present invention, generally indicated at 10. Specifically, EO pump 10 includes a container such as elongated tube 12 shown in FIG. For the purposes of the present invention, the tube 12 has a lumen 14 formed therein, the tube 12 having an attached or mounted electrode 16 at one end thereof. Tube 12 also has an electrode 18 mounted or mounted at the other end of tube 12 opposite electrode 16. One of these electrodes (eg, electrode 16) is grounded, and the other electrode (eg, electrode 18) is connected to a voltage source 20. With this structure, a voltage potential that generates an electric field E in the lumen 14 of the tube 12 can be located at the electrode 18. What is important is that the electric field E is directed generally parallel to the axis 22 of the tube 12.
[0019]
With continued reference to FIG. 1, the EO pump 10 according to the present invention includes a yarn 24 spun from a plurality of individual fibers 26. The fibers 26 are preferably made of silica or any other active material known in the art that develops a charge in the aqueous solution upon contact with the aqueous solution. For the EO pump 10 of the present invention, it is assumed that the diameter 28 of the thread 24 is approximately the same as the diameter of the lumen 14 of the elongated tube 12 regardless of what active material is used for the thread 24. . The length of the thread 24 is also substantially the same as the length of the tube 12. Thus, as shown in FIG. 1, the thread 24 can be inserted into the lumen 14 of the tube 12 and positioned within the lumen between the electrodes 16 and 18. When the thread 24 is located in the lumen 14 of the tube 12, these components of the EO pump 10 combine to form a pump tube 30.
[0020]
Referring to FIG. 2, it can be seen that the present invention connects the pump tube 30 to the extension tube 32 in fluid communication. As shown in FIG. 2, for the combination of the pump tube 30 and the extension tube 32, the aqueous solution 34 fills both the pump tube 30 and the extension tube 32, which share a common electrode (eg, the electrode 18). Have. It is noted that another grounded electrode 16 'could be used at the end of the extension tube 32 opposite the common electrode 18. In such a combination, tube 30 and tube 32 together form a pumping section 36. For the present invention, the pumping section 36 is intended to be used independently. Further, the pumping unit 36 is changed so that the grounded electrode (for example, the electrode 16) is positioned between the voltage sources 20 (for example, the electrode 18), and is positioned so that the other pumping unit 36 is aligned with the end. Can be. In this way, the pumping section 36 can be matched in series to increase the pumping pressure head without requiring additional voltage.
[0021]
With continued reference to FIG. 2, it can be seen that an EO pump 10 is contemplated that is effective in pumping liquids 38 other than the aqueous solution 34 required to produce the EO effect. In particular, it may be necessary to pump a liquid 38 (eg, blood) that tends to block the thread 24 if they come into contact with each other. For such situations, the present invention contemplates generating bubbles 40 in the extension tube 32 that effectively block the yarn 24 and the aqueous solution 34 from different liquids 38. It can be shown mathematically that the pressure generated on the aqueous solution 34 by the EO action in the pump tube 30 is effectively transmitted to the different liquids 38 via the bubbles 40. With this in mind, the importance of the present invention is to increase the pressure that can be generated in pump tube 30 by the EO effect.
[0022]
As shown in FIG. 3, for a lumen 14 having a cross-sectional area of value “A” in a plane perpendicular to axis 22, the aggregate cross-sectional area of fibers 26 in this same plane is about “A / 2”. It is interesting to note that this is equal to Mathematically, the consequences of this relationship to the EO effect obtained are significant. For example, consider the situation where the thread 24 is located in a tightly fitted tube 12. The number N of fibers in the yarn 24 is given by the formula N = b ² / [2a ² ]
To satisfy. Here, the diameter 28 of the lumen 14 is equal to a value of “2b” (ie, the radius is “b”), and each individual fiber 26 has a radius “a”. Then, the volume of the microchannel between the fibers 26 in the yarn 24 will be approximately equal to the volume of the fibers 26. Thus, the channels collectively act as a tube having a radius "a" on average. Total flux through the tube 12 ^{Γ = [πb 2/2]} {u-pa 2 / [8Lη]}
Provided by Here, p is the pressure head, L is the length of the tube 12, and η is the viscosity of the fluid in the tube 12. This equation shows that the pressure head p is determined by the radius "a" of the fiber 26, while the throughput 決 ま る is determined by the tube diameter 28. Thus, a large flow rate is possible even with a large pressure head p.
[0023]
Several variations are shown by the present invention for the structure of the pumping section 36 and for combining several pumping sections 36 into a single EO pump 10. In a variant shown in FIG. 4, the pumping section 36 can be arranged in a ladder-like structure. Such a structure effectively reduces the overall length of the pumping sections 36 connected in series. Specifically, in the generally ladder configuration shown in FIG. 4, a series of parallel pump tubes 30 can be alternately arranged between a series of mutually parallel extension tubes 32. In such an arrangement, a partition 42 as shown must be used to separate the sequential extension tubes 32 from one another. The legs 44 and 46 of the ladder arrangement can then be used as the electrode 18 (connected to the voltage source 20) and the electrode 16 (grounded), respectively. In another combination shown in FIG. 5, one pump tube 30a can be connected to another pump tube 30b to form two legs of a Y-shaped conduit. In this combination, the base of the conduit can be formed as an extension tube 32. Then, depending on how much voltage potential is applied to the respective electrodes 18a and 18b of the pump tubes 30a and 30b, the aqueous solution 34 can be selectively propelled in the directions indicated by the arrows 47a and 47b. .
[0024]
An alternative embodiment of the structure of the EO pump 10 incorporating bubbles 40 is shown in FIG. For this embodiment, it can be seen that a valve 48 is associated with the portion of the extension tube 32 'where the bubble 40 is to be located. Thus, the bubble 40 can be injected through the valve 48 into the extension tube 32 '. Thereafter, the bubble 40 can be adjusted and controlled by the valve 48. Alternatively, and particularly for the linear EO pump 10 shown in FIG. 2, the air bubble 40 can be located within the extension tube 32 by using a syringe-type device (not shown).
[0025]
The effects of the present invention can be shown, for example, by using a test apparatus as shown in FIG. In this device, two generally parallel, vertically oriented reservoirs 50 and 52 are interconnected via a pump tube 30. Each reservoir 50, 52 has an inner diameter 54 that is 15 millimeters (15 mm), and the pump tube 30 has a length 56 that is 5 centimeters (5 cm) and an inner diameter 58 that is 3 millimeters (3 mm). . The thread 24 in the pump tube 30 is spun from silica fibers approximately 5 microns (5 μm) in diameter. For experiments, the electrodes 16 and 18 may be platinum wires located in the aqueous solution 34 of the reservoirs 50,52. As described above, this arrangement creates a voltage potential between the voltage source 20 and ground that creates an electric field E in the pump tube 30. Thus, electrodes 60a and 60b can be inserted into reservoirs 50 and 52 and connected to voltmeter 62 to measure electric field E.
[0026]
In order to check the EO action by the device shown in FIG. 7, the pump tube 30 and the reservoirs 50 and 52 are filled with deionized water (aqueous solution 34). After the water levels in the reservoirs 50 and 52 have settled to an equivalent level, the voltage source 20 is turned on. The water level difference between the two reservoirs 50, 52 is then measured as a function of time.
[0027]
According to theoretical analysis, the difference y in water level is y = y ₀ {1-exp [−t / τ]}.
Should behave like
y ₀ = 4λΣV / [a ² ρg]
τ ⁻¹ = b ² a ² ρg / [16R ² ηL]
Obtain the values of y ₀ and τ from equation [1] above using experimental data. An example of a set of values is y ₀ = 4.82 centimeters and τ = 3.48 × 10 ⁴ seconds. Using experimental parameters V = 65 volts, b = 1.5 mm, R = 7.5 mm, L = 5 cm, η = 10 ⁻³ kg / ms and ρg = 10 ⁴ hg / m ² s ² Then
λΣ = 1.1 × 10 ⁻¹⁰ coulomb / m
ζ = λΣ / ε = 155 mV
a = 7.5 × 10 ⁻⁶ m
It is possible to obtain ρgy ₀ /V=7.5 Pascal / volt.
[0028]
The values of λ, Σ and ζ are reasonable for silica. The flow rate of the viscosity is weighted by a ^4, whereas in consideration of the fact that the area is weighted by a ² of effective flow radius "a" is also reasonable. However, the radius of the flow path in the yarn 24 is statistically distributed to some extent, and the value of the effective radius of the pump tube 30 should be larger than the value estimated from its area.
[0029]
Experiments have shown that a pressure head equivalent to a normal tube with a radius of 5 microns can be obtained with a pump tube 30 with a radius of 7.5 millimeters. Further, the volume flow rate of the pump tube 30 is b ² / 2a ² = 2 × 10 ⁴ times as compared with a single normal tube having a radius “a”. Thus, the experimental results confirm that the pump tube 30 can simultaneously generate a high pressure head and a large volume flow.
[0030]
Although the particular fiber-filled electro-osmotic pump shown and described in detail herein is capable of accomplishing the foregoing objectives and providing advantages, it merely provides a presently preferred embodiment of the present invention. It should be understood that the invention is not limited to the details of the structures and configurations shown in this specification except for the description in the claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of an electro-osmotic pump according to the present invention, showing a thread of active material before being positioned inside the lumen of a pump tube.
FIG. 2 is a side view of a preferred embodiment of an electro-osmotic pump according to the present invention incorporating a plurality of end-to-end pumping sections.
FIG. 3 is a sectional view of the pump tube taken along line 3-3 in FIG. 2;
FIG. 4 is a plan view of an alternative embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a plan view of an alternative embodiment of the present invention useful as a valve or switch.
FIG. 6 is a side view of an air isolator that can be incorporated into an electro-osmotic pump according to the present invention.
FIG. 7 shows an experimental device for testing the effect of the present invention.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 10 electroosmosis (EO) pump 12 tube 14 lumen 16, 18 electrode 20 voltage source 24 thread 26 fiber 30 pump tube 32 extension tube 34 aqueous solution 36 pumping unit

Claims (3)

A pump tube having a first end, a second end, and a lumen extending therebetween, the pump tube defining an axis, the lumen being perpendicular to the axis and "A". A pump tube having an equal cross-sectional area;
A plurality of elongated fibers positioned within the lumen of the pump tube between the first end and the second end, wherein the plurality of elongated fibers are perpendicular to the axis and about "A / 2". A plurality of elongated fibers having an equal aggregate cross-sectional area;
An aqueous solution that fills the lumen between the first end and the second end of the pump tube, the aqueous solution interacting with the fibers to charge the solution;
Means for generating an electric field between the first end and the second end of the pump tube to generate a force in the charged solution to move the charged solution in the lumen. An electroosmotic pump characterized by including: The pump of claim 1, wherein said elongated fibers are spun together to form a thread. A container defining an axis,
An aqueous solution filling the container;
A plurality of elongated fibers immersed in the aqueous solution and interacting with the aqueous solution to charge the aqueous solution, the plurality of elongated fibers being aligned generally parallel to the axis;
A voltage connected to the container to generate an electric field in the container that is axially directed to generate a force in the aqueous solution that causes the charged aqueous solution to move axially with respect to the container. And an electroosmotic pump.

Images