JP2005077219A - マイクロデバイスの流体混合反応促進方法及びマイクロデバイス - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の流体L1、L2をそれぞれの流体供給路18A,18Bを通して1本のマイクロ流路14に合流し、これらの流体L1、L2を薄片状の層流として流通させつつ混合反応を行わせるマイクロデバイスにおいて、マイクロ流路14内を流れる流体L1、L2に、振動周波数が50Hz以上、1kHz以下の超低周波振動を伝播することにより、流体L1、L2にマイクロ流路長手方向の流速変動を誘起させるようにした。
【選択図】 図1
Description
満、好ましくは50Hz以上、300Hz以下の超低周波振動を伝播することが良いとの知見
を得た。本発明は係る知見に基づいてなされたものである。
を伝播することにより、前記流体に前記マイクロ流路長手方向の流速変動を誘起させることを特徴とする。
、1kHz未満の超低周波振動を伝播することにより、流体にマイクロ流路長手方向の流速
変動を誘起させるようにした。このマイクロ流路長手方向における流体の流速変動によってマイクロ流路内を流れる複数の流体の混合度を飛躍的に高めることができる。従って、マイクロ流路構造の複雑化やマイクロ流路を延長することなく、マイクロ流路内を流れる流体の混合や反応を飛躍的に促進することができる。
ことを特徴とする。これにより、マイクロデバイスに搭載する上で重要な振動発生源の小型化及び低消費電力化を実現することができ、例えば模型用の小型モータを使用することができる。
混合度が最適となる振動周波数に制御することができる。この場合、マイクロ流路内断面の平均流速で除して無次元化したチューブ管の振動速度変動強度が50以上になるように、好ましくは60以上になるように振動周波数を制御するとよい。
未満の超低周波振動を発生させる超低周波振動発生手段と、から成ることを特徴とする。
波振動を発生させるようにしたものである。これによるマイクロ流路内を流れる流体の混合反応の促進のメカニズムは、チューブ管に周波数が50Hz以上、1kHz未満の超低周波
振動を発生させてチューブ管内の流体の圧力変動を誘起し、それがマイクロ流路内に超低周波振動として伝播することにより、マイクロ流路内に強い流速変動を誘起する。この強い流速変動により複数の流体がマイクロ流路に合流する合流部近傍での不安定化性により混合反応が促進されるものと考察される。
るための好ましい超低周波振動発生手段を示したもので、偏芯錘をモータ軸に取り付けた小型モータ、例えば模型用小型モータで回転することにより、振動梁に支持されたチューブ管に機械的に超低周波振動を発生させるようにしたものである。マイクロ流路を流れる流体に周波数が50Hz以上、1kHz未満の超低周波振動を発生させることが可能な超低周
波振動発生手段であれば、他の手段、例えば一定周波数でON−OFF操作ができる電磁振動機のようなものも使用可能であるが、上記したように、マイクロデバイスに搭載する超低周波振動発生手段は、小型且つ低消費電力であることが重要であり、請求項7のように偏芯錘を回転させる小型モータと振動梁とが一体的に振動してチューブ管を振動させるものが好ましい。
以下の範囲で機械的に振動させる。このチューブ管24A、24Bの機械的な超低周波振動により、マイクロ流路14内を流れる流体L1、L2に超低周波振動が伝播され、流体L1、L2にマイクロ流路長手方向に流速変動が誘起される。この流速変動により、マイクロ流路14内を流れる流体L1、L2の混合反応が促進される。
線は急激に立ち上がり、60Hz近傍で略完全混合の状態を示す。この完全混合の状態は1
kHz以上になると低下し始める。この結果から分かるように、チューブ管24A、24B
に、50Hz以上、1kHz未満の超低周波振動を発生させ、この超低周波振動をマイクロ流
路14内を流れる流体L1、L2に伝播し、マイクロ流路14内を流れる流体L1、L2にマイクロ流路長手方向の流速変動を誘起することで、流体L1、L2の混合率Φを飛躍的に促進させることができる。これは、伝播される振動周波数が50Hz未満では振動振幅
は大きくても振動数が小さいために、マイクロ流路14内に大きな流速変動強度を得ることができず、十分な混合性能が得られないためである。逆に振動周波数が1kHz以上であ
る例えば超音波振動のように数十kHzの振動では振動数は大きくても振動振幅が極端に小
さくなるので、マイクロ流路14内に大きな流速変動強度を得ることができず、この場合にも十分な混合性能が得られないためである。
周波振動を伝播させることができる振動発生源であれば、小型モータ30以外の手段、例えば一定周波数でON−OFF操作ができる電磁振動機のようなものも使用可能であるが、小型モータ30、特に模型用の小型モータ30が好ましい。これは、マイクロデバイス10に搭載する超低周波振動の振動発生源としては、小型で且つ低消費電力であることが重要であり、模型用の小型モータ30はこの条件を満足する。また、模型用の小型モータ30は最大300Hz程度までの振動周波数を得ることができ、模型用の小型モータ30を50Hz以上、300Hz以下で使用すれば、上記した流速変動誘起手段16のように、本発明の混合促進に必要な振動周波数を簡単な構造で得ることができる。
62Hzまで変化させた。このときの振動梁28上に支持されたチューブ管の最大振幅は1
.2mmであった。
60Hzの振動をマイクロ流路14を流れる流体L1、L2に伝播した場合には、マイクロ
流路14内を流れる流体L1、L2は全体が1つの層で示すように、2種類の流体L1、L2が完全に混合された。また、図示しなかったが、チューブ管24A、24Bに17Hz
の振動を発生し、その17Hzの振動をマイクロ流路14を流れる流体L1、L2に伝播し
た場合には、チューブ管24A、24Bに振動を与えない場合と同様に流体L1、L2は殆ど混合しなかった。
動を伝播することにより、流体L1、L2にマイクロ流路長手方向の流速変動を誘起させるようにしたので、マイクロ流路14内の流体L1、L2同士の混合を飛躍的に促進させることができる。従って、マイクロ流路構造の複雑化やマイクロ流路14を延長することなく、マイクロ流路14内を流れる流体L1、L2の混合反応を飛躍的に促進することができる。
動周波数を最適条件に制御することができるなら、混合反応促進の最適化を図ることができる。
20Hzで振動させるか全く振動させない場合である。
は混合率Φが0.1程度であり、マイクロ流路14内を流れる流体L1、L2同士は殆ど混合しない。これに対し、振動周波数が本発明の振動周波数の下限である50Hz以上にな
ると流速変動強度が増加し、流速変動強度の増加に伴って混合率Φの急激な上昇が見られた。振動周波数が60Hz近くで流速変動が更に上昇し、混合率Φ=1の完全混合に近い状
態が得られた。
御すれば、混合反応促進の最適化を図ることができる。この場合、図6から,マイクロ流路内断面の平均流速(U)で除して無次元化した流速変動強度が25以上になるように、好ましくは30以上になるように振動周波数を制御するとよい。
合であり、▲はチューブ管24A、24Bを17〜20Hzで振動させるか全く振動させな
い場合である。
4A、24Bを振動させない場合や振動周波数が20Hz以下の場合には流速変動が大きく
ならないため、略同じ振動速度変動強度でも50Hz以上の場合と大きく異なり混合率Φが
大きくならない。この点においては、混合率Φをより適切に表すパラメータとして流速変動強度の方がふさわしいが、振動速度変動強度も本発明が必要としている振動周波数50Hz以上では混合率Φと密接な関係があるので、混合率Φのパラメータとして十分に使用可能である。また、図8に示すように、振動速度変動強度は50Hz以上(●)において流速変動強度と密接な相関関係を有しており、この点からも混合率Φのパラメータとして十分に使用可能である。ちなみに▲は20Hz以下の場合である。
範囲内で振動周波数を最適条件に制御すれば、混合促進の最適化を図ることができる。この場合、図7から、マイクロ流路内断面の平均流速(U)で除して無次元化した振動速度変動強度が50以上になるように、好ましくは60以上になるように振動周波数を制御するとよい。
Claims (8)
- 複数の流体をそれぞれの流体供給路を通して1本のマイクロ流路に合流させることにより、これらの流体を混合反応させるマイクロデバイスにおいて、
前記マイクロ流路内を流れる流体に、振動周波数が50Hz以上、1kHz未満の超低周波
振動を伝播することにより、前記流体に前記マイクロ流路長手方向の流速変動を誘起させることを特徴とするマイクロデバイスの流体混合反応促進方法。 - 前記振動周波数は50Hz以上、300Hz以下であることを特徴とする請求項1のマイクロデバイスの流体混合反応促進方法。
- 前記流体供給流路に連結したチューブ管を振動させることにより、前記マイクロ流路内を流れる流体に前記流速変動を誘起すると共に、前記チューブ管の水平方向及び鉛直方向の変位をそれぞれ時間微分することにより得られたチューブ管の水平方向速度変動をut (t)とし、チューブ管の鉛直方向速度変動をνt (t)としたときに、ut (t)とνt (t)との自乗時間平均値の和の平方根で表した式
- 複数の流体をそれぞれの流体供給路を通して1本のマイクロ流路に合流させることにより、これらの流体を混合反応させるマイクロデバイスにおいて、
前記マイクロ流路内を流れる流体に前記マイクロ流路長手方向の流速変動を誘起させる流速変動誘起手段を設けたことを特徴とするマイクロデバイス。 - 前記流速変動誘起手段は、
前記複数の流体供給路にそれぞれ接続され、前記流体供給路にそれぞれの流体を供給する複数本のチューブ管と、
前記複数本のチューブ管のうちの少なくとも1本のチューブ管に周波数が50Hz以上、
1kHz未満の超低周波振動を発生させる超低周波振動発生手段と、から成ることを特徴と
する請求項5のマイクロデバイス。 - 前記超低周波振動発生手段は、
前記複数本のチューブ管のうちの少なくとも1本のチューブ管の長手方向を所定間隔を置いて支持する一対の支持部材と、
前記一対の支持部材の間に設けられ、前記少なくとも1本のチューブ管を中空に支持する片持ち構造の振動梁と、
前記振動梁の先端部に搭載されると共にモータ軸に偏芯錘が取り付けられた小型モータと、から成り、前記小型モータで前記偏芯錘を回転して前記小型モータを前記振動梁と一体的に振動させることにより前記振動梁に支持されたチューブ管に機械的な振動を与えることを特徴とする請求項6のマイクロデバイス。 - 前記マイクロ流路の開口幅は、10μm以上、1000μm以下であることを特徴とする請求項5〜7の何れか1のマイクロデバイス。
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