JP2004531369A - マイクロチャネル装置 - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
本発明は、新規なマクロチャネル装置に関する。より具体的には、本発明は、マイクロチャネルにおいて2つ以上の流体を混合することを容易にする新規なマイクロチャネル装置に関する。本発明は、また、マイクロチャネルにおいて2つ以上の流体を共に混合する新規な方法にも関する。
【背景技術】
【0002】
マイクロチャネル装置は、流体が沿って流れることが可能である1つまたは複数のマイクロチャネルを有する装置であり、当該マイクロチャネルまたは各マイクロチャネルは、チャネルに垂直に100nmと1mmの間の寸法を有する。マイクロチャネルの他に、装置は、チャンバ、フィルタ、電極、ポンプ、バルブ、または混合システムなど、他の構成要素を備えることができる。マイクロチャネルは、PTFE、プラスチック、ガラス、石英から形成することが可能であり、またはシリコンウエハを微細機械加工することによって形成することが可能である。
【0003】
マイクロチャネル装置は、ごく少量の物質に関わる分析および合成の応用に使用される。たとえば、分析プロセスに使用される試薬は、高価である可能性がある。マイクロチャネル装置においてプロセスを実施することによって、必要な化学物質の量は少量ですみ、したがってコストは最小限に抑えられる。
【0004】
いくつかの化学物質の組合せは、その反応性が高いために、小規模でのみ可能であることができる。
【0005】
マイクロチャネル装置は、比較的低コストで大量生産することが可能であるので、単に、必要な数のマイクロチャネル装置において反応を同時に実施することによって、反応を大規模化することができる。
【0006】
しかし、そのような小規模で反応および他のプロセスを実施することは、いくつかの重大な問題を呈示することがある。問題となる具体的な分野は、化学反応を引き起こす第1ステップとして必要な、2つ以上の流体の組合せである。層流のために、2つの流体を共に流すのは、一般に十分簡単ではない。隣接するフローのために、流体は、ほとんど混合されないままになるだけである。この層流は、チャネルの寸法が小さいことと、微小流体工学で通例使用される流速との結果である。行われるそのような混合は、2つの流体の境界面を横断する拡散の結果である。
【0007】
この問題に対処することが可能である1つ方法は、混合する各流体のフローを複数の流れに分割することであり、各流れは、図1に示すように、断面積が小さくなっている。図1は、複数の流れを生成することが可能である従来の技術の装置の一部の概略図である。複数のマイクロチャネル11、12、13、14、15、および16は、シリコンチップ17の上に製作される。マイクロチャネル11から16は、第1マイクロチャネル11と、第2マイクロチャネル12と、第3マイクロチャネル13と、第4マイクロチャネル14と、第5マイクロチャネル15と、第6マイクロチャネル16とを備える。第1マイクロチャネル11は、第1流体を含み、第2マイクロチャネル12は、第2流体を含む。矢印18は、両方の流体が流れる方向を示す。第1マイクロチャネル11は、第3マイクロチャネル13と第4マイクロチャネル14とに流れ込み、これらのマイクロチャネルの両方ともフローに垂直な低減された寸法である。第2マイクロチャネル12は、第5マイクロチャネル15と第6マイクロチャネル16とに流れ込み、やはりこれらのマイクロチャネルの両方ともフローに垂直な低減された断面寸法である。第4マイクロチャネル14と第5マイクロチャネル15とは、交差するが交わらないように製作される。
【0008】
第4マイクロチャネル14と第5マイクロチャネル15とが交差する結果として、流体の空間的交代順序が獲得される。図1の底部における流体の順序は、右から左へ、第1流体、第2流体、第1流体、および第2流体である。第3マイクロチャネル13と、第4マイクロチャネル14と、第5マイクロチャネル15と、第6マイクロチャネル16とに含まれている4つの流れは、交代順序と低減された断面積が保持されるように、単一のマイクロチャネル(図1には示さず)に組み合わせることが可能である。このようにして、拡散による相互作用としたがって混合とが改善される。
【0009】
図1の装置は、理想的な解決方法には劣ることを示すが、その理由は、装置が比較的複雑で、製作が困難であるからである。具体的には、交差するが交わらないチャネルを機械加工するのは困難である。図1の装置に付随する他の問題は、得られる混合物において、第1液体と第2液体の比率を変更するのが困難であるということである。比率は、マイクロチャネルの相対断面積によってほぼ決定される。
【0010】
マイクロチャネルを流れる2つの流体を組み合わせることが可能である第2の方法は、レイノルズ数が約2300より大きくなるまで、マイクロチャネルを流れる流量を単に増大させることである。そのような大きなレイノルズ数では、乱流が存在し、したがって流体は混合される。圧力駆動フローでは、2300より大きいレイノルズ数に対して十分高い流量を獲得するために、100万Paを超える圧力が必要な可能性がある。これは、比較的頑強なマイクロチャネル装置を使用することを必要とし、この装置は、実際には作成することが困難な可能性がある。
【0011】
以下の従来の技術は、本発明に関係すると見なされる。GB 2355414Aは、対向ノズルを有するマイクロミキサを記載している。DE 196 11 270A1は、ごく小さい体積の液体用のマイクロミキサを記載している。米国特許第6,150,119号は、複数の異なるサンプルを微小流体チャネルネットワークに連続導入することについて記載している。
【0012】
他の関係する従来の技術は、A.Deshmukhによって、Solid State Sensors and Actuator Workshop、2000年6月4〜8日、米国サウスカルフォルニア州ヒルトンヘッド、Crowne Plaza Resortに提示されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0013】
本発明の目的は、上述した問題を軽減する、新規なマイクロチャネル装置と、マイクロチャネルにおいて2つ以上の流体を混合する新規な方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0014】
第1態様によれば、本発明は、マイクロチャネルにおいて少なくとも2つの流体を混合する方法であって、(a)各流体をマイクロチャネルに導入するステップと、(b)各流体をマイクロチャネルに沿って流れさせるステップとを含み、ステップ(a)が、(i)各流体を複数のパルスの形態でマイクロチャネルに導入するステップと、(ii)各流体の前記複数のパルスを他の1つまたは複数の流体と交互にするステップとを含む、方法を提供する。
【0015】
本明細書の目的では、流体は、液体または気体のあらゆる物質として認識されるべきである。疑念のないように、「液体」という用語は、溶液および懸濁液を含むように認識されるべきである。
【0016】
本発明による混合の方法によって混合される流体のそれぞれは、液体であることが好ましい。
【0017】
パルスは、各流体がマイクロチャネルに導入されるレート(rate)を繰り返して増大または減少させることによって形成することが可能である。パルスは、マイクロチャネルへの各流体のフローを繰り返して停止または開始させることによって形成することが可能である。たとえば、パルスは、バルブを繰り返して開閉することによって形成することが可能である。代替として、パルスは、制御可能なポンプによって、各流体の導入を調整することによって形成することが可能である。パルスの形成は、混合する成分のいずれかについて、マイクロチャネルへの流体フローを完全に停止することを含む必要はない。
【0018】
交互にすることは、複数のバルブを順次開閉することによって達成することが可能である。パルスを交互にすることによって、異なる流体を異なる時間に導入することが可能である。たとえば、1つのバルブが開いており、同時に他の1つまたは複数のバルブが閉じていることを保証することによって、流体の1つのみを所与の時間に導入することが可能である。
【0019】
パルスを交互にすることにより、流体は、マイクロチャネルにおいてより効率的に混合される。技術が効率的であることは、高圧と複雑な構造とを利用することが必要ではないことを意味する。この混合が改善される理由は、マイクロチャネルの長さに沿った異なる流体間で、マイクロチャネルの長さに垂直な、ある程度の空間分離のためである。他の要因は、マイクロチャネルの幅にわたる非一様なフロープロファイルであり、フローは、マイクロチャネルの中心で最速である。これらの2つの要因の組合せにより、隣接パルスがチャネルに沿って進む際に、隣接パルス間の境界領域が増大し、境界領域が増大する際に、薄化によってパルス間の混合に必要な平均拡散経路が低減される。
【0020】
対照的に、従来の技術の方法は、しばしば、異なる流体をマイクロチャネルの幅の両端に空間的に分離する傾向がある。この場合、非一様フロープロファイルは、混合を促進しないことになる。
【0021】
本発明では、マイクロチャネルの幅とは対照的に、長さに沿った空間分離により、マイクロチャネルに沿ったフローが、異なる流体を混合することを可能にすることができる。マイクロチャネルの長さに沿った成分間の空間分離は、流体が導入されるマイクロチャネルの領域において最も顕著である可能性が高いことに留意されたい。そのような空間分離は、マイクロチャネルを横断する非一様フローのために、流体がマイクロチャネルに沿って流れる際に、減少する傾向がある。
【0022】
各パルスは、マイクロチャネルの対向側面と接触するように、マイクロチャネルに導入することが可能である。
【0023】
バルブのいずれか1つが開かれ、次いで閉じられる間の所要時間は、5秒未満とすることが可能である。バルブのいずれか1つが閉じられ、次いで開かれる間の所要時間は、0.1秒未満とすることが可能である。1つのバルブを開き、他のバルブを閉じる間に、遅延が導入される可能性があり、そのような遅延は、0.1秒未満とすることが可能である。
【0024】
各流体は、他の流体とマイクロチャネルにおけるほぼ同じ位置で、マイクロチャネルに導入することが可能である。
【0025】
流体のそれぞれは、幅wのマイクロチャネルの部分に導入することが可能である。その部分は、マイクロチャネルにおける流体のフローの方向に沿って測定して、5w未満の長さを有することが好ましい。より好ましくは、流体のそれぞれは、2w未満の長さを有するマイクロチャネルの部分に導入することが可能である。
【0026】
ステップ(a)は、流体のそれぞれのフローが、マイクロチャネルに入る際に、マイクロチャネルの長さに対してほぼ垂直であるように実施されることが有利である。
【0027】
ステップ(a)は、各流体を、少なくとも1つの入口チャネルを通してマイクロチャネルに導入することによって実施することが可能である。
【0028】
マイクロチャネルは、基板に取り付ける、または基板に形成することが可能である。本明細書の目的では、「マイクロチャネルの深さ」という用語は、基板の面にほぼ垂直なマイクロチャネルの断面の寸法として確定されるべきである。「入口チャネルの深さ」という用語は、入口チャネルがマイクロチャネルに入る点における、基板の面にほぼ垂直な入口チャネルの断面の寸法として確定されるべきである。
【0029】
当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さより小さくすることが可能である。
【0030】
当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの2分の1未満とすることが可能である。
【0031】
当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの10分の1未満とすることが可能である。
【0032】
当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積より小さくすることが可能である。
【0033】
当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の2分の1未満とすることが可能である。
【0034】
当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の10分の1未満とすることが可能である。
【0035】
マイクロチャネルの体積は、20μl未満であることが好ましい。マイクロチャネルの体積は、5μl未満であることがより好ましい。
【0036】
ステップ(a)は、1つの流体のパルスの少なくとも1つが、マイクロチャネルに入る際に、他の流体のパルスと接触するように実施されることが有利である。
【0037】
各流体が導入される位置、圧力、および時間は、当該流体間または少なくとも2つの流体の相互作用の結果として、渦がマイクロチャネルに確立されるようにすることが可能である。
【0038】
流体をマイクロチャネルに導入することによる渦の形成は、流体を共に混合するのに役立つ可能性がある。
【0039】
マイクロチャネルは、100μm未満の少なくとも1つの断面寸法を有することが可能である。マイクロチャネルは、10,000μm2未満の断面積を有することが可能である。
【0040】
当該流体または少なくとも2つの流体をマイクロチャネルに導入することは、流体が導入される領域から離れているマイクロチャネルの端部における流体のフローが、100秒より長い期間、ほぼ連続的であることができるように実施することが可能である。
【0041】
多くの合成および分析の技術は、反応物または生成物の比較的一定なフローを必要とし、これは、本発明によって満たすことが可能である基準である。たとえば、流体を導入するバルブを連続動作することにより、マイクロチャネルから連続的に出力することが可能になる。
【0042】
結果的な混合物の組成は、パルスの相対持続時間を変化させることによって、変更することが可能である。たとえば、第1流体を第2流体と混合する場合、第1流体の割合は、第1流体のパルス長を第2流体のパルス長に対して長くすることによって、増大することができる。
【0043】
再び、これは、所与の混合物について、反応物の割合を変更することを必要とする多くの合成および分析の応用に関して、重要な特徴である。
【0044】
2つの流体を混合する場合、たとえば、10:1、100:1、および1000:1という高い混合比率が達成されることができる。
【0045】
パルスの形成および交互は、1つの流体のみが任意の所与の時間にマイクロチャネルに導入されるように実施されることが好ましい。パルスの形および交互は、マイクロチャネルに導入されている流体を繰り返して変更するように実施されることがより好ましい。
【0046】
該方法は、電子構成要素を使用して、各パルスの持続時間を制御する他のステップを含むことが有利である。電子構成要素は、コンピュータを備えることがより好ましい。
【0047】
マイクロチャネルの寸法と、流体がマイクロチャネルに導入されるレートとは、マイクロチャネルを通る流体のフローが、マイクロチャネルの幅にわたって非一様であるようにすることが有利である。マイクロチャネルを流れる流体のフローは、ほぼ放物線状であることがより有利である。すなわち、断面の少なくとも1つの線にわたる速度分布は、ほぼ放物線状である。この放物線フローにより、パルスがマイクロチャネルに沿って流れる際に、混合される異なる成分間の相互作用がより大きくなり、相互作用の面積が大きくなり、空間分離が小さくなり、したがって混合を実施するために拡散に必要な距離が短縮される、と考えられる。
【0048】
マイクロチャネルを流れる流体のそれぞれのフローは、流体のそれぞれをマイクロチャネルに導入することによってのみ生じることが好ましい。すなわち、マイクロチャネルを流れる流体のそれぞれのフローは、気体をマイクロチャネルに導入することによっては生じない。気体は、気体と流体の接触がマイクロチャネルの内部では起きないことを条件として、混合される流体に圧力を加えるために使用することが可能である。代替として、フローは、微小流体ポンプまたは界面動電現象によって誘発することが可能である。
【0049】
ステップ(b)は、マイクロチャネルにおいて流体の少なくともいくつかを動電学的にポンピングするステップを含むことが可能である。ステップ(b)は、放物線フローが誘発されるように、マイクロチャネルにおいて少なくともいくつかの流体を動電学的にポンピングするステップを含むことが可能である。
【0050】
混合される流体が液体である場合、マイクロチャネルにおいて気体を使用せずに、マイクロチャネルを流れる液体のそれぞれのフローは、気体が液体に溶解することによって、または気泡を形成することによって、汚染される危険性を最小限に抑えられる。
【0051】
ステップ(a)は、動電ポンプによって、各流体をマイクロチャネルに導入するステップを含むことが有利である。
【0052】
ステップ(a)は、各パルスが、各パルスが通って導入された入口チャネルとほぼ対向するマイクロチャネル壁の部分と接触するように実施されることが好ましい。
【0053】
ステップ(a)をこのように実施することによって、入口チャネルの領域と接触し、かつ入口チャネルに対向するマイクロチャネル壁の領域と接触するパルスを形成することが可能である。対向接触点におけるパルスのチャネルに沿ったフローは、対向接触点を結合する線に沿った点におけるチャネルに沿ったフローに対して抑制される。パルスの中点とパルスの端部との流量の差は、混合プロセスにとって有益であると考えられる。
【0054】
ステップ(a)は、前記接触点間の線が、マイクロチャネルを流れる流体フローの方向にほぼ垂直であるように、各パルスが、前記マイクロチャネルの2点を接触させるステップを含むことが可能である。
【0055】
各パルスは、少なくとも2つの入口チャネルを通って導入されることが有利である。各パルスが通って導入される2つの入口チャネルまたは入口チャネルの2つは、互いにほぼ対向して配置されることがより有利である。
【0056】
2つ以上の入口チャネルからの流体は、各パルスを形成するように、共にマイクロチャネルを流れる。2つ以上の入口チャネルを流れる流体のフローによって各パルスを形成することにより、各パルスは、パルスが通って導入され、かつ互いに間隔をおいて位置する入口チャネルの領域の点において、マイクロチャネルと接触することが可能になる。各パルスのフローは、接触点において抑制され、混合プロセスを補助する。
【0057】
ステップ(b)は、疎水性膜によって、マイクロチャネルの流体に気体圧力を加えるステップを含むことが可能である。
【0058】
本発明の第2態様によれば、マイクロチャネルと、少なくとも2つの流体をマイクロチャネルに導入する流体導入手段とを備えるマイクロチャネル装置であって、導入手段が、各流体を複数のパルスの形態でマイクロチャネルに導入し、各流体のパルスを他の流体のパルスと交互にするパルス手段を備えることを特徴とするマイクロチャネル装置が提供される。
【0059】
流体導入手段は、少なくとも2つの液体をマイクロチャネルに導入する液体導入手段を備え、液体導入手段は、各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネルに導入し、かつ各液体のパルスを他の液体のパルスと交互にするパルス手段を備えることが好ましい。
【0060】
液体導入手段は、少なくとも1つの入口チャネルを備え、各パルスが、当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルを通ってマイクロチャネルに導入され、当該入口チャネルまたは各入口チャネルが、マイクロチャネルの壁に形成された入口開口を有することが有利である。
【0061】
各入口チャネルは、マイクロチャネルにほぼ垂直であることが可能である。
【0062】
導入手段は、流体の1つに関連付けられたバルブを備えることが可能である。バルブと、マイクロチャネルと、流体とは、バルブを開け、次いで閉じることにより、流体のパルスがマイクロチャネルの中に放出されるように構成される。
【0063】
導入手段は、複数のバルブを備えることが好ましい。制御手段は、前記複数のバルブのそれぞれを順次開閉する手段を備えることがより好ましい。制御手段は、他の1つまたは複数のバルブが閉じていることを保証するために、任意の所与の時間に1つのバルブのみを開く手段を備えることがさらにより好ましい。制御手段は、前記複数のバルブのどれを任意の所与の時間に開くかを繰り返して変更する手段を備えることがさらによりいっそう好ましい。
【0064】
制御手段は、マイクロチャネルへの流体のフローを繰り返して停止および開始させることによって、前記複数のパルスを形成する手段を備えることが可能である。
【0065】
導入手段は、流体の1つに関連付けられた動電ポンプを備えることが可能である。動電ポンプと、マイクロチャネルと、流体とは、動電ポンプの作動により、流体のパルスがマイクロチャネルの中に放出されるように構成される。動電ポンプは、非一様速度プロファイルがマイクロチャネルを横断して生成されるように、構成および作動させることが可能である。動電ポンプは、放物線状の速度プロファイルがマイクロチャネルを横断して生成されるように、構成および作動させることが可能である。
【0066】
導入手段は、複数の動電ポンプを備えることが好ましい。制御手段は、前記動電ポンプを順次作動および停止する手段を備えることがより好ましい。制御手段は、他の1つまたは複数の動電ポンプが停止していることを保証するために、任意の所与の時間に1つの動電ポンプのみを作動させる手段を備えることがさらにより好ましい。制御手段は、前記複数の動電ポンプのどれを任意の所与の時間に作動させるかを繰り返して変更する手段を備えることがさらによりいっそう好ましい。
【0067】
各流体を複数のパルスの形態でマイクロチャネルに導入する手段は、各パルスが、マイクロチャネルの対向側面と接触するような構成を有することが可能である。
【0068】
各バルブは、入口チャネルによって、マイクロチャネルに接続することが可能である。
【0069】
各前記入口開口は、10mm未満の長さを有するマイクロチャネルの部分の内部に形成することが可能であることが好ましい。各前記入口開口は、5mm未満の長さを有するマイクロチャネルの部分の内部に形成することが可能であることがより好ましい。
【0070】
パルス手段は、マイクロチャネルへの流体のそれぞれのフローが、マイクロチャネルの長さにほぼ垂直であるように構築されることが有利である。
【0071】
各入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さより小さくすることが可能である。
【0072】
各入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの2分の1未満とすることが可能である。
【0073】
各入口チャネルの深さは、マイクロチャネルの深さの10分の1未満とすることが可能である。
【0074】
各入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積より小さくすることが可能である。
【0075】
各入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の2分の1未満とすることが可能である。
【0076】
各入口チャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積の10分の1未満とすることが可能である。
【0077】
各バルブに関連付けられた当該流体または流体の少なくとも一部は、流体がリザーバからバルブに流れ込むことが可能であるように、リザーバに含まれることが可能である。
【0078】
マイクロチャネルは、500μmと100nmの間の最小断面寸法を有することが好ましい。マイクロチャネルは、100μmと1μmの間の最小断面寸法を有することがより好ましい。
【0079】
マイクロチャネルは、少なくとも2つのサブチャネルを備え、各サブチャネルは、マイクロチャネルにほぼ平行であり、各サブチャネルの断面積は、マイクロチャネルの断面積より小さく、各サブチャネルは、マイクロチャネルの内部に配置することが可能である。
【0080】
各サブチャネルが、十分に長い放物線状であることを条件として、各サブチャネルにおいてフローを確立することが可能である。各サブチャネルにおいて放物線状のフローを確立することは、混合プロセスを補助する。
【0081】
制御手段は、流体の1つのみを、任意の所与の時間にマイクロチャネルに導入することを可能にする手段を備えることが有利である。制御手段は、流体のどれをマイクロチャネルに導入するかを繰り返して変更する手段を備えることがより有利である。
【0082】
制御手段は、電子構成要素を備えることが好ましい。制御手段は、コンピュータを備えることがより有利である。制御手段は、実時間で動作するようにプログラムされたコンピュータを備えることがさらにより有利である。
【0083】
流体導入手段は、各パルスが、1つの入口チャネルを通って導入され、かつ各パルスが、各パルスが通って導入された入口チャネルとほぼ対向するマイクロチャネル壁の部分と接触するような構成を有することが有利である。
【0084】
流体導入手段は、各パルスが少なくとも2つの入口チャネルを通って導入されるような構成を有することが好ましい。流体導入手段は、各パルスが、マイクロチャネルの対向側面上に配置された2つの入口チャネルを通って導入されるような構成を有することがより好ましい。
【0085】
マイクロチャネルは、一端がほぼ閉じていることが有利である。マイクロチャネルは、当該入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルにほぼ隣接するマイクロチャネルの端部が閉じていることがより好ましい。
【0086】
本発明の第3態様によれば、マイクロチャネルにおいて少なくとも2つの流体を混合する方法であって、マイクロチャネルの長さに沿って流体間に少なくともいくらかの空間分離が存在するように、流体のそれぞれをマイクロチャネルに導入するステップを含み、ほぼ放物線状のフローが、マイクロチャネルに配置された各流体の少なくとも一部に生じるように、マイクロチャネルに配置された各流体をマイクロチャネルに沿って推進するさらなるステップを含むことを特徴とする方法が提供される。
【0087】
本発明の第4態様によれば、マイクロチャネルの長さに沿った流体間に少なくともいくらかの空間分離が存在するように、マイクロチャネルと、少なくとも2つの流体をマイクロチャネルに導入する流体導入手段とを備え、ほぼ放物線状のフローが、マイクロチャネルに配置された流体の少なくとも一部に生じるように、マイクロチャネルに沿って、マイクロチャネルに配置された各流体を推進する推進手段をさらに備えることを特徴とするマイクロチャネル装置が提供される。
【0088】
ここで、図2および3を参照して、単に例示として、本発明について記述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0089】
図2は、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図であり、21によって全体を示す。第1リザーバ22と第2リザーバ23とは、第1バルブ25および第2バルブ26とフローリストリクタ27、28、31、および32とを介して、マイクロチャネル24に接続される。第1リザーバ22は、第1液体を含み、第2リザーバ23は、第2液体を含む。この例の目的では、第1液体は、第1水溶性染料の水溶液とされ、第2液体は、第2水溶性染料の水溶液とされる。
【0090】
混合マクロチャネル24は、1mm×100ミクロンの断面寸法を有する。すなわち、マイクロチャネル24は、1mmの幅と100ミクロンの深さとを有する。マイクロチャネル24の全長は、19cmであり、空間を節約するように蛇行構造に構成される。マイクロチャネル24は、120Cにおいて圧力を加えることによって、ポリメチルメタクリルレート(PMMA)の2つの薄層を1つに結合することによって製作される。マイクロチャネルの構造は、マイクロミリングによってPMMA層の1つに形成される。接続導管が、埋込みマイクロチャネル構造に接続するのを可能にするように、他のPMMA層を通して形成される。金属管が、プラスチック配管を容易に接続することを可能にするように、接続導管に接着される。
【0091】
40kPaの圧力が、圧縮空気によって第1液体と第2液体とに加えられる。マクロチャネル24への第1液体と第2液体の入力は、2つのバルブ25と26とによって制御される。したがって、気体の圧力は、第1液体と第2液体をマイクロチャネル24の導入するために使用されるが、気体の圧力自体は、マイクロチャネル24には入らない。
【0092】
第1バルブ25と第2バルブ26とは、第1バルブ25と第2バルブ26とが開いているか、または閉じているかを制御する制御手段(図2には図示せず)に接続される。制御手段は、第1バルブ25と第2バルブ26の一方のみが、任意の所与の時間に開いているように、プログラムすることが可能である。制御手段は、また、第1溶液と第2溶液の交代パルスがマイクロチャネル24の中に放出されるように、2つのバルブ25、26のどちらが開いているかを変更することも可能である。このようにして、第1液体と第2液体の導入は、交互になり、その結果、第1液体は、第2液体と同時には導入されない。
【0093】
第1液体または第2液体の各パルスの持続時間は、約0.8秒である。1秒当たり1.2のパルスが、マイクロチャネル24に放出される。パルスを交互にすることによって、マイクロチャネル24の長さに沿って、第1液体と第2液体の間に、ある程度の空間分離が生じる。この空間分離は、2つの液体が導入されるマイクロチャネル24の領域において最大である。2つの液体は、マイクロチャネル24に沿って移動する際に、混合される。
【0094】
バルブ25と26とは、市販のソレノイドバルブである。各バルブ25および26は、閉じるときに、流体を変位させ、ポンピング作用を実施する。ポンピング作用は、フローリストリクタ27、28、31、および32を、各バルブの両側面に配置することによって最小限に抑えることができる。各フローリストリクタは、5mmの長さと、40ミクロンの深さと、100ミクロンの幅とを有する。
【0095】
フローリストリクタ27、28、31、および32を各バルブの両側面に配置することによって、マイクロチャネルの液体フローが第1バルブ25と第2バルブ26とを閉じる動作の影響が、最小限に抑えられる。第1バルブ25と第2バルブ26とを閉じることにより、バルブ25、26の領域の圧力が増大する傾向がある。フローリストリクタの構成により、マイクロチャネルは、ソレノイドバルブ25、26のポンピングの影響から保護されることになる。
【0096】
本発明の図2の実施形態では、フローリストリクタ27および28は、入口チャネルを形成し、それによって、第1液体と第2液体とは、マイクロチャネル導入される。すなわち、入口チャネルの寸法は、図2の実施形態では、40ミクロン(深さ)、100ミクロン(幅)、および5mm(長さ)である。
【0097】
第1液体と第2液体の混合物が、マイクロチャネル24に送達された後、マイクロチャネル24に含まれている流体を、流体に気体圧力を加えることによって送達することが可能である。圧力は、ガスライン30を介して加えられ、10kPaの圧力であることが好都合である。ガスラインは、気体の通過は可能であるが、液体を基にした水溶液の通過は可能にしない疎水性膜29を介して接続される。したがって、流体が、バルブ25と26とを介してマイクロチャネル24に送達されたとき、フローは、疎水性膜29によって停止される。このようにして、マイクロチャネル24に沿った流体の送達も、混合動作を生じる。
【0098】
他の実施形態では、図には示していないが、本発明によるマイクロチャネル装置は、図2の装置と同一の構造を有することが可能であるが、200ミクロンのマイクロチャネル深さを有する点が異なる。
【0099】
図3は、マイクロチャネル32と入口チャネル35、36とを備えるマイクロチャネル装置であり、31によって全体を示す。マイクロチャネルは、バッフル34によって形成された3つのサブチャネル33を備える。液体は、マイクロチャネル31の長さを下方に流れて、混合される。サブチャネルが十分に長い場合、サブチャネルを流れる放物線状のフローが生じることができる。したがって、バッフル34が存在することにより、バッフル34がない場合と比較して、液体間の混合相互作用が増大する。
【0100】
図4は、第1入口チャネル42、43と第2入口チャネル44、45とを有する、マイクロチャネル装置であり、41によって全体を示す。入口チャネル42、43、44、および45は、マイクロチャネル46の壁に、入口開口42a、43a、44a、および45aを形成する。第1液体が、第1入口チャネル42および43を通って導入され、第2液体が、第2入口チャネル44および45を通って導入される。第1液体と第2液体とは、複数のパルスの形態で導入される。第1液体の各パルスは、第1入口チャネル42、43の両方を流れる液体のほぼ同時のフローによって形成される。第2液体の各パルスは、第2入口チャネル44、45の両方を流れる液体のほぼ同時のフローによって形成される。2つの第1入口チャネル42、43は、マイクロチャネルの対向側面上に構成され、2つの第2入口チャネル44、45も、互いに関してマイクロチャネルの対向側面上に構成される。この入口チャネル42、43、44、および45の構成により、2つの液体がマイクロチャネルに沿って流れる際に、2つの液体のより大きな相互作用が起きる。図5は、本発明による他のマイクロチャネル装置の概略図であり、51によって全体を示す。マイクロチャネル装置は、図3に示したものと同一であるが、サブチャネルを備えない点が異なる。マイクロチャネル52の断面寸法は、1mm(幅)×200ミクロン(深さ)である。入口チャネル53は、100ミクロン(幅)×40ミクロン(深さ)の断面寸法を有する。入口チャネル53は、マイクロチャネル52に垂直であるように構成され、入口チャネル53に隣接するマイクロチャネル52の端部は、閉じられる。図5のマイクロチャネル52の壁は、透明な材料から構築される。
【0101】
図6は、図5の装置を使用して実施された実験の結果を示す。水と赤色染料の水溶液とのパルスが、本発明による方法によって図5のマイクロチャネルに導入される。図6のプロットは、マイクロチャネルに沿った距離に対する、マイクロチャネルにおける赤色染料のチャネルの中心での濃度を示す。マイクロチャネルにおける赤色染料の濃度は、チャネルにおける液体による光の吸収を測定することによって決定される。濃度は、Beer Lambert(ベール−ランバート)の法則によって決定される。図6は、本発明の方法および装置の混合の有効性を示す。
【0102】
CFD(Flume CAD(RTM)(コンベンタ))を使用して、本発明による方法によって2つの流体の混合を調査した。2D計算の結果を図7(a)に示す。図7(a)は、入口チャネル71の1つを通したパルスの注入を示す。図7(a)の結果からわかるように、パルスは、マイクロチャネル72の対向壁に到達しない。
【0103】
図7(b)は、図7(a)と同じマイクロチャネル装置に関する結果を示す。しかし、図7(b)の計算は、3Dシミュレーションについて実施された。図7(a)と7(b)の結果が違うのは、図7(b)の計算は、入口チャネル71とマイクロチャネル72の深さの差を考慮に入れているからである。図7(a)の結果は、2D計算についてなので、注入チャネルの深さは、これらの結果では、マイクロチャネルの深さと事実上同じである。したがって、図7の結果は、入口チャネルのそれぞれの深さは、マイクロチャネルの深さより小さくあるべきであることが有利であることを示す。
【図面の簡単な説明】
【0104】
【図1】従来の技術のマイクロチャネル装置の一部の概略図である。
【図2】本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。
【図3】少なくとも2つのサブチャネルを備える、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。
【図4】液体の各パルスが、2つの入口チャネルを通って導入される、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。
【図5】各入口チャネルが、マイクロチャネルに垂直である、本発明によるマイクロチャネル装置の概略図である。
【図6】マイクロチャネルに沿った距離の関数として、2つの流体を含んでいる本発明によるマイクロチャネル装置による光の吸収を示す図である。
【図7a】本発明による方法によって、パルスをマイクロチャネルに注入することに関するモデリングの結果を示す図である。
【図7b】本発明による方法によって、パルスをマイクロチャネルに注入することに関するモデリングの結果を示す図である。
Claims (14)
- マイクロチャネルにおいて少なくとも2つの液体を混合する方法であって、(a)各液体をマイクロチャネルに導入するステップと、(b)各液体をマイクロチャネルに沿って流れさせるステップとを含み、ステップ(a)が、(i)各液体を複数のパルスの形態でマイクロチャネルに導入するステップと、(ii)各液体の前記複数のパルスを他の1つまたは複数の液体のパルスと交互にするステップとを含む方法。
- 各液体が、マイクロチャネルにおける他の液体とほぼ同じ位置にでマイクロチャネルに導入されるように、ステップ(a)が実施される、請求項1に記載の方法。
- 各液体が導入される位置、圧力、および時間が、前記液体または少なくとも2つの液体の相互作用の結果として、渦がマイクロチャネルに確立されるようなものである、請求項1に記載の方法。
- 液体が導入される領域から離れているマイクロチャネルの端部における液体のフローが、100秒より長い期間ほぼ連続されることができるように、ステップ(a)が実施される、請求項1に記載の方法。
- マイクロチャネルと、少なくとも2つの液体をマイクロチャネルに導入する液体導入手段とを備え、液体導入手段が、各液体を複数のパルスに形態でマイクロチャネルに導入し、かつ各液体のパルスを他の液体のパルスと交互にするパルス手段とを備える、マイクロチャネル装置。
- 液体導入手段が、液体の1つに関連付けられたバルブを備え、バルブと、マイクロチャネルと、液体とが、バルブを開き、次いで閉じることにより、液体のパルスがマイクロチャネルの中に放出されるように構成される、請求項5に記載のマイクロチャネル装置。
- 液体導入手段が、複数のバルブを備える、請求項6に記載の装置。
- 液体導入手段が、少なくとも1つの入口チャネルを備え、各パルスが、前記入口チャネルまたは少なくとも1つの入口チャネルを通ってマイクロチャネルに導入され、前記入口チャネルまたは各入口チャネルが、マイクロチャネルの壁に形成された入口開口を有する、請求項5に記載のマイクロチャネル装置。
- 前記各入口開口が、10mm未満の長さを有するマイクロチャネルの部分の内部に形成される、請求項8に記載のマイクロチャネル装置。
- マイクロチャネルが、1mmと100nmの間の最小断面寸法を有する、請求項5から9のいずれか一項に記載のマイクロチャネル装置。
- マイクロチャネルの寸法と、液体がマイクロチャネルに導入されるレートとが、マイクロチャネルを流れる液体のフローが、ほぼ放物線状であるようなものである、請求項5から10のいずれか一項に記載のマイクロチャネル装置。
- 各入口チャネルの深さが、マイクロチャネルの深さより小さい、請求項8に記載のマイクロチャネル装置。
- 各入口チャネルの深さが、マイクロチャネルの深さの2分の1未満である、請求項12に記載のマイクロチャネル装置。
- マイクロチャネルが、少なくとも2つのサブチャネルを備え、各サブチャネルが、マイクロチャネルにほぼ平行であり、各サブチャネルの断面積が、マイクロチャネルの断面積より小さく、各サブチャネルが、マイクロチャネルの内部に配置される、請求項5に記載のマイクロチャネル装置。
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