JP2008032526A - Channel substrate, and channel device equipped with channel substrate - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、生体物質や、自然環境における物質等の微量化学分析に用いられる化学チップ等に利用される流路基板、およびそのような流路基板を用いた流路デバイスに関する。 The present invention relates to a flow path substrate used for a chemical chip or the like used for trace chemical analysis of biological materials or substances in the natural environment, and a flow path device using such a flow path substrate.
近年、マイクロマシニング技術の発達により、微小な化学反応モジュールや、化学分析モジュール、微小なセンサやバルブ、ポンプ等のような、サイズの極めて小さい機器類の製作が可能になっており、また、これらのモジュールや機器類を組み合わせて、DNAの分析等に特化した、いわゆる化学チップの提案もなされている(特許文献1参照)。
しかしながら、化学チップ等に利用される流路基板では、流路に流れる流体の液量が微量であるために、流体の反応により気泡が発生したり混入したりすると、密閉された流路内で気泡がそのまま流れ、流体の反応性に悪影響を与えたり、流量の測定精度が低くなるという問題があった。 However, in a flow path substrate used for a chemical chip or the like, since the amount of fluid flowing in the flow path is very small, if bubbles are generated or mixed due to the reaction of the fluid, The bubbles flow as they are, and there is a problem that the reactivity of the fluid is adversely affected and the measurement accuracy of the flow rate is lowered.
また、微小な流路断面の液体流路の途中にバルブ機構を設置し気泡を抜く構造は、加工が困難であるため、このようなバルブ機構を備えた流路基板の製品価格が極めて高価であるという問題を有していた。 In addition, the structure of a valve mechanism installed in the middle of a liquid channel with a minute channel cross section to extract bubbles is difficult to process, so the product price of a channel substrate equipped with such a valve mechanism is extremely expensive. Had the problem of being.
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、流体内の気泡を容易に除去できる流路基板およびそのような流路基板を用いた流路デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a flow path substrate that can easily remove bubbles in a fluid and a flow path device using such a flow path substrate. .
上記問題を解決するため、本発明の流路基板は、基板の内部に流体が流れる流路が設けられた流路基板であって、前記の流路は、前記の流体が単一の経路で流れる第1の流路部分と、該第1の流路部分に隣接して設けられ、該第1の流路部分に2箇所で接続された第2の流路部分とを備え、前記の第1の流路部分および第2の流路部分は、前記の第1の流路部分の前記の流体が流れる方向における前記の2箇所の接続面の間の該流体の圧力差が、前記の第2の流路部分における該2箇所の接続面の間の該流体の圧力差よりも大きくなるように構成され、前記の第1の流路部分の前記の流体が流れる方向に垂直な断面の面積は、前記の第1の流路部分および第2の流路部分が接続された前記の2箇所の接続面の一方の面積よりも大きく、他方の面積よりも小さいことを特徴とする。 In order to solve the above problem, the flow path substrate of the present invention is a flow path substrate provided with a flow path through which a fluid flows, and the flow path has a single path for the fluid. A first flow path portion that flows, and a second flow path portion that is provided adjacent to the first flow path portion and is connected to the first flow path portion at two locations. The first flow path portion and the second flow path portion have a difference in pressure difference between the two connection surfaces in the direction in which the fluid flows in the first flow path portion. An area of a cross section that is configured to be larger than a pressure difference of the fluid between the two connection surfaces in the two flow passage portions and is perpendicular to a direction in which the fluid flows in the first flow passage portion. Is larger than the area of one of the two connection surfaces to which the first channel portion and the second channel portion are connected, And wherein the less than the product.
好ましくは、前記の流路基板において、前記の第1の流路部分の前記の断面は、前記の2箇所の接続面の間において形状および大きさが一定であり、前記の第1の流路部分の断面および第1および第2の接続面は、それぞれ長方形又は正方形であり、前記の流路基板は、前記の2箇所の接続面のうち前記の第1の流路部分の断面の面積よりも小さい面積を有する第1の接続面について、該第1の接続面の周囲の長さの1/4の2乗を、該第1の接続面における前記の第1の流路部分の長さと該第1の接続面の面積の1/4の2乗との積で割った値は、前記の断面の周囲の長さの1/4の2乗を、該第1の接続面に垂直な方向における前記の第1の流路部分の長さと該断面の面積の1/4の2乗との積で割った値よりも小さく、前記の2箇所の接続面のうち前記の第1の流路部分の断面の面積よりも大きい面積を有する第2の接続面について、該第2の接続面の周囲の長さの1/4の2乗を、該第2の接続面における前記の第1の流路部分の長さと該第2の接続面の面積の1/4の2乗との積で割った値は、前記の断面の周囲の長さの1/4の2乗を、該第2の接続面に垂直な方向における前記の第1の流路部分の長さと該断面の面積の1/4の2乗との積で割った値よりも大きいことを特徴とする。 Preferably, in the flow path substrate, the cross section of the first flow path portion has a constant shape and size between the two connection surfaces, and the first flow path portion The cross section of the portion and the first and second connection surfaces are each rectangular or square, and the flow path substrate is based on the area of the cross section of the first flow path portion of the two connection surfaces. For the first connection surface having a smaller area, the square of the length of the circumference of the first connection surface is set to the length of the first flow path portion in the first connection surface. The value obtained by dividing the product of the area of the first connection surface by the square of ¼ is the square of the length of the circumference of the cross section, which is perpendicular to the first connection surface. Smaller than the product of the length of the first flow path portion in the direction and the square of the area of the cross-section, For the second connecting surface having an area larger than the cross-sectional area of the first flow path portion of the connecting surface, the square of the length of the circumference of the second connecting surface is The value divided by the product of the length of the first flow path portion in the second connection surface and the square of the area of the second connection surface is ¼ of the circumference of the cross section. The value obtained by dividing the square of 1/4 by the product of the length of the first flow path portion in the direction perpendicular to the second connection surface and the square of the quarter of the area of the cross section. It is large.
好ましくは、前記の流路基板において、前記の2箇所の接続面の一方の面積は、前記の第1の流路部分の断面の面積の1/2以上であり、前記の2箇所の接続面の他方の面積は、前記の第1の流路部分の断面の面積の1/2以下であることを特徴とする。 Preferably, in the flow channel substrate, one area of the two connection surfaces is ½ or more of a cross-sectional area of the first flow channel portion, and the two connection surfaces are The other area is less than or equal to ½ of the cross-sectional area of the first flow path portion.
本発明の第1の流路デバイスは、上述の流路基板を備え、該流路基板に、前記の第1の流路部分に流体を供給する供給部と、前記の第1の流路部分を流れる流体に所定の処理を施す処理部と、処理後の前記の流体を外部に導出する導出部が設けられ、前記の処理部は、前記の第1の流路部分を流れる流体の向きを基準として、前記の第2の流路部分の下流側に設けられることを特徴とする。 A first flow path device of the present invention includes the above-described flow path substrate, a supply section that supplies fluid to the first flow path portion, and the first flow path portion. And a deriving unit for deriving the processed fluid to the outside. The processing unit determines the direction of the fluid flowing through the first flow path portion. As a reference, it is provided on the downstream side of the second flow path portion.
好ましくは、前記の流路デバイスにおいて、前記の処理部は、前記の第1の流路部分を流れる流体を加熱するヒータであることを特徴とする。 Preferably, in the flow channel device, the processing unit is a heater that heats a fluid flowing through the first flow channel portion.
本発明の第2の流路デバイスは、上述の流路基板を備え、該流路基板に、前記の第1の流路部分に流体を供給する供給部と、該流体を前記の第1の流路部分から外部に導出する導出部と、前記の第1の流路部分を流れる流体の向きを基準として、前記の第2の流路部分の下流側を流れる流体に光が照射されるように該光を導く光路とが設けられることを特徴とする。 A second flow path device of the present invention includes the above-described flow path substrate, a supply section that supplies the fluid to the first flow path portion, and the fluid to the first flow path substrate. Light is emitted to the fluid flowing downstream of the second flow path portion with reference to the outlet portion leading out from the flow path portion and the direction of the fluid flowing through the first flow path portion. And an optical path for guiding the light.
本発明の流路基板によれば、基板の内部に流体が流れる流路が設けられた流路基板であって、流路は、流体が単一の経路で流れる第1の流路部分と、該第1の流路部分に隣接して設けられ、該第1の流路部分に2箇所で接続された第2の流路部分とを備え、第1の流路部分および第2の流路部分は、第1の流路部分の流体が流れる方向における2箇所の接続面の間の該流体の圧力差が、第2の流路部分における該2箇所の接続面の間の該流体の圧力差よりも大きくなるように構成され、第1の流路部分の流体が流れる方向に垂直な断面の面積は、第1の流路部分および第2の流路部分が接続された2箇所の接続面の一方の面積よりも大きく、他方の面積よりも小さいことから、第1の流路部分から第2の流路部分へ気泡を移動させるとともに、第2の流路部分に入った気泡が第1の流路部分に再び流出することを防止することができる。よって、本発明の流路基板によれば、第1の流路部分を流れる流体内の気泡を容易に第1の流路部分から除去することができる。 According to the flow path substrate of the present invention, the flow path substrate is provided with a flow path through which a fluid flows, and the flow path includes a first flow path portion in which the fluid flows in a single path, A first flow path portion and a second flow path provided adjacent to the first flow path portion and connected to the first flow path portion at two locations. The portion is such that the pressure difference between the two connection surfaces in the flow direction of the fluid in the first flow path portion is the pressure of the fluid between the two connection surfaces in the second flow path portion. The area of the cross section that is configured to be larger than the difference and is perpendicular to the direction in which the fluid of the first flow path portion flows is two connections where the first flow path portion and the second flow path portion are connected. Since the area is larger than one area of the surface and smaller than the other area, the bubbles are moved from the first flow path portion to the second flow path portion. It is possible to prevent bubbles entering the second channel section again flows out to the first channel section. Therefore, according to the flow path substrate of the present invention, the bubbles in the fluid flowing through the first flow path portion can be easily removed from the first flow path portion.
また、本発明の第1の流路デバイスによれば、該流路基板に、第1の流路部分に流体を供給する供給部と、第1の流路部分を流れる流体に所定の処理を施す処理部と、処理後の流体を外部に導出する導出部とを設けたことから、流路を流れる流体内の気泡を容易に除去することができ、流体の反応性および測定精度等が向上した流路デバイスを実現することができる。 Further, according to the first flow channel device of the present invention, the flow channel substrate is supplied with a fluid to the first flow channel portion, and the fluid flowing through the first flow channel portion is subjected to predetermined processing. Since the processing section to be applied and the derivation section for leading the processed fluid to the outside are provided, bubbles in the fluid flowing through the flow path can be easily removed, and the reactivity and measurement accuracy of the fluid are improved. Thus, the flow channel device can be realized.
さらに、本発明の第2の流路デバイスによれば、該流路基板に、第1の流路部分に流体を供給する供給部と、該流体を第1の流路部分から外部に導出する導出部と、第1の流路部分を流れる流体の向きを基準として、第2の流路部分の下流側を流れる流体に光が照射されるように該光を導く光路とが設けられることから、流路を流れる流体内の気泡を容易に除去することができ、流体の反応性および測定精度等が向上した流路デバイスを実現することができる。 Furthermore, according to the second flow path device of the present invention, the supply section that supplies the fluid to the first flow path portion is supplied to the flow path substrate, and the fluid is led out from the first flow path portion. Since the lead-out portion and the direction of the fluid flowing through the first flow path portion are used as a reference, an optical path for guiding the light is provided so that the fluid flowing downstream of the second flow path portion is irradiated with light. In addition, it is possible to easily remove bubbles in the fluid flowing through the flow path, and to realize a flow path device with improved fluid reactivity and measurement accuracy.
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づき具体的に説明する。図1は本実施の形態による流路基板を模式的に示した断面図である。 Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a flow path substrate according to the present embodiment.
図1に示されるように、本実施の形態による流路基板1は、基板2の内部に流体が流れる流路が設けられた流路基板であって、その流路は、流体が単一の経路で流れる第1の流路部分3と、第1の流路部分3に隣接して設けられ、第1の流路部分3に2箇所で接続された第2の流路部分4とを備えている。具体的には、第1の流路部分3は直線状であり、第2の流路部分4は、直線状の領域が3つ接続されたコの字型形状をしている。また、第1の流路部分の流体が流れる方向に垂直な断面は、上記2箇所の接続面の間において、形状および大きさが一定である。なお、図1に示された流路基板1では、第2の流路部分4が第1の流路部分3の上方に位置しているが、第2の流路部分4は第1の流路部分3に隣接していればよく、例えば、第2の流路部分4が第1の流路部分3の下方又は側方に位置していてもよい。
As shown in FIG. 1, a
流路基板1における第1の流路部分3および第2の流路部分4は、それぞれ基板2内に形成される。基板2としては、例えばセラミック基板が挙げられる。セラミック基板は、酸化アルミニウム質焼結体(アルミナセラミックス)、窒化アルミニウム質焼結体、窒化珪素質焼結体、炭化珪素質焼結体等のセラミックから成り、例えば酸化アルミニウム質焼結体から成る場合、酸化アルミニウム(As2O3)、酸化珪素(SiO2)、酸化マグネシウム(MgO)、酸化カルシウム(CaO)等に有機溶剤、溶媒を添加混合して泥漿物(スラリー)を得、次にスラリーを従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等を採用してテープ状に成形してセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を得、しかる後、セラミックグリーンシートを複数枚積層し、レーザー加工法等により、断面が長方形の流路形状に加工する。その後、これを高温(約1600℃)で焼成することによって製作される。
The first
本実施の形態による流路基板1において、第1の流路部分3の流体が流れる方向に垂直な断面の面積(以下、「第1の流路部分3の断面積」という。)は、第1の流路部分3および第2の流路部分4の2箇所の接続面の一方の面積よりも大きく、他方の面積よりも小さい。具体的に、第1の流路部分3の断面積は、第1の流路部分3を流れる流体の向きを基準として、下流における接続面(以下、「第1の接続面」という。)の面積よりも大きく、上流における接続面(以下、「第2の接続面」という。)の面積よりも小さい。
In the
本実施の形態による流路基板1においては、第1の流路部分3の断面積に対する第1の接続面の面積を小さくして、気泡5を第1の流路部分3から第2の流路部分4へ移動させる一方、第1の流路部分3の断面積に対する第2の接続面の面積を大きくして、気泡5が第1の流路部分3から第2の流路部分4へ移動することを防いでいる。
In the
また、本実施の形態による流路基板1では、第1の流路部分3の流体が流れる方向における第1および第2の接続面の間の流体の圧力差が、第2の流路部分4における第1および第2の接続面の間の流体の圧力差よりも大きくなるように、第1の流路部分3および第2の流路部分4をそれぞれ構成することから、第2の流路部分4から第1の流路部分3への気泡5の移動を防止することができる。
In the
すなわち、流路基板1では、気泡5は、第1の接続面を通して第1の流路部分3から第2の流路部分4へ移動し、第2の流路部分4に留まる。
That is, in the
以下に、第1の流路部分3から第2の流路部分4へ気泡5を移動させるとともに、第2の流路部分4から第1の流路部分3への気泡5の移動を防止する流路の構成について詳細に説明する。なお、以下の説明では、第1の流路部分3および第2の流路部分4において流体が流れる方向に垂直な断面はそれぞれ長方形であると仮定する。
Below, while moving the
まず、第1の接続面付近における第1の流路部分3に沿った流体の流れ方向と第2の流路部分4に沿った流体の流れ方向の圧力差(圧力損失)をそれぞれ計算する。
First, the pressure difference (pressure loss) between the fluid flow direction along the first
流体の圧力損失は、次の式△P=2×μ×L×V×{(A+B)/A×B}2を用いて計算することができる。ここで、μは流体の粘性係数、Lは流路長さ、A,Bは、流路断面の形状である長方形の異なる2辺の長さの1/2、Vは平均流速である。なお、流路断面とは、流体の流れる方向に垂直な断面であり、流路長さとは、流路において流路断面の中心を通る長さである。 The pressure loss of the fluid can be calculated using the following formula ΔP = 2 × μ × L × V × {(A + B) / A × B} 2 . Here, μ is the viscosity coefficient of the fluid, L is the channel length, A and B are ½ of the length of two different sides of the rectangle that is the shape of the channel cross section, and V is the average flow velocity. The channel cross section is a cross section perpendicular to the fluid flow direction, and the channel length is a length passing through the center of the channel cross section in the channel.
図2は、図1に示された流路における流体の圧力損失を説明するための模式図である。図2に示されるように、第1の接続面における第1の流路部分3の長さをla、第2の接続面における第1の流路部分3の長さをlb、第1および第2の接続面の間の第1の流路部分3の長さをlcとする。すなわち、第1の流路部分の流体が流れる方向における2箇所の接続面の間の長さはlcである。また、第1の接続面および第2の接続面に垂直な方向における第1の流路部分3の長さ(第1の流路部分3の幅)をwa、第2の流路部分4において第1又は第2の接続面から第1の流路部分3に平行な領域までの距離をwb、第2の流路部分4の第1の流路部分3に平行な領域における第1および第2の接続面に垂直な方向における長さ(第2の流路部分4における平行な領域の幅)をwcとする。また、第1の流路部分3および第2の流路部分4の流路の高さを共にdとし、圧力損失を求める領域における流体の入口部での平均流速をvとする。
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the pressure loss of the fluid in the flow path shown in FIG. As shown in FIG. 2, the length of the first
このとき、第1の流路部分3および第2の流路部分4の接続面の面積が、第1の流路部分3の断面積よりも小さい場合、すなわち第1の接続面について、第1の流路部分3に沿った流体の流れ方向では、L=la、A=wa/2、B=d/2、V=v×la/(la+wa)が成り立ち、圧力損失△P11は、△P11=8×μ×v/(la+wa)×(la/wa+la/d)2となる。また、第2の流路部分4に沿った流体の流れ方向では、L=wa、A=la/2、B=d/2、V=v×wa/(la+wa)が成り立ち、圧力損失△P12は、△P12=8×μ×v/(la+wa)×(wa/la+wa/d)2となる。
At this time, when the area of the connection surface of the first
ここで、気泡5の移動速度は、圧力損失△Pに比例するため、気泡5の移動時間は、流路長さLを圧力損失△Pで割った値L/△Pに比例する。そこで、第1の接続面において、気泡5を第1の流路部分3から第2の流路部分4へ移動させる場合、第1の接続面における第1の流路部分3の流路長さlaを圧力損失△P11で割った値la/△P11が、第1の流路部分3の幅waを圧力損失△P12で割った値wa/△P12よりも大きくなるように、つまり、la/△P11>wa/△P12が成り立つように流路寸法la、wa、流路高さdをそれぞれ設定する。
Here, since the moving speed of the
このようにすれば、気泡5が第1の流路部分3から第2の流路部分4へ移動する時間は、気泡5が第1の流路部分3に沿って移動する時間よりも短くなるため、第1の接続面において、気泡5は第1の流路部分3から第2の流路部分4へ移動する。
In this way, the time for the
一方、第1の流路部分3および第2の流路部分4の接続面の面積が、第1の流路部分3の断面積よりも大きい場合、すなわち第2の接続面について、第1の流路部分3に沿った流体の流れ方向では、L=lb、A=wa/2、B=d/2、V=v×lb/(lb+wa)が成り立ち、圧力損失△P21は、△P21=8×μ×v/(lb+wa)×(lb/wa+lb/d)2となる。また、第2の流路部分4に沿った流体の流れ方向では、L=wa、A=lb/2、B=d/2、V=v×wa/(lb+wa)が成り立ち、圧力損失△P22は、△P22=8×μ×v/(lb+wa)×(wa/lb+wa/d)2となる。
On the other hand, when the area of the connection surface of the first
そこで、第2の接続面において、気泡5が第1の流路部分3から第2の流路部分4へ移動することを防止する場合、第2の接続面における第1の流路部分3の流路長さlbを圧力損失△P21で割った値lb/△P21が、第1の流路部分3の幅waを圧力損失△P22で割った値wa/△P22より小さくなるように、つまり、lb/△P21<wa/△P22となるように流路寸法lb、wa、流路高さdを設定する。
Therefore, when the
このようにすれば、第2の接続面において、気泡5が第1の流路部分3に沿って移動する時間は、第1の流路部分3から第2の流路部分4へ移動する時間よりも小さくなるため、第1の接続面において、気泡5は第1の流路部分3を進み、第1の流路部分3から第2の流路部分4へ移動することを防止することができる。
In this way, the time for the
ここで、la/△P11>wa/△P12が成り立つとき、la×△P12>wa×△P11が成り立ち、この式に上述の△P11=2×μ×la×v×wa/(la+wa)×{(wa/2+d/2)/(wa/2×d/2)}2、および△P12=2×μ×wa×v×wa/(la+wa)×{(la/2+d/2)/(la/2×d/2)}2を導入することにより、以下の式(1)が成り立つ。 Here, when la / ΔP11> wa / ΔP12 holds, la × ΔP12> wa × ΔP11 holds, and ΔP11 = 2 × μ × la × v × wa / (la + wa) × {(Wa / 2 + d / 2) / (wa / 2 × d / 2)} 2 , and ΔP12 = 2 × μ × wa × v × wa / (la + wa) × {(la / 2 + d / 2) / (la / 2 × d / 2)} By introducing 2 , the following expression (1) is established.
{(la/2+d/2)/(la/2×d/2)}2/la<{(wa/2+d/2)/(la/2×d/2)}2/wa・・・・・・(1)
また、lb/△P21<wa/△P22が成り立つとき、lb×△P22>wa×△21が成り立ち、この式に上述の△P21=2×μ×lb×v×wa/(lb+wa)×{(wa/2+d/2)/(wa/2×d/2)}2、および△P22=2×μ×wa×v×wa/(lb+wa)×{(lb/2+d/2)/(lb/2×d/2)}2を導入することにより、以下の式(2)が成り立つ。
{(La / 2 + d / 2) / (la / 2 × d / 2)} 2 / la <{(wa / 2 + d / 2) / (la / 2 × d / 2)} 2 / wa...・ (1)
Further, when lb / ΔP21 <wa / ΔP22 is satisfied, lb × ΔP22> wa × Δ21 is satisfied, and ΔP21 = 2 × μ × lb × v × wa / (lb + wa) × { (Wa / 2 + d / 2) / (wa / 2 × d / 2)} 2 , and ΔP22 = 2 × μ × wa × v × wa / (lb + wa) × {(lb / 2 + d / 2) / (lb / 2 × d / 2)} By introducing 2 , the following equation (2) is established.
{(lb/2+d/2)/(lb/2×d/2)}2/lb>{(wa/2+d/2)/(lb/2×d/2)}2/wa・・・・・・(2)
なお、la/2+d/2は、第1の接続面の周囲の長さ(2la+2d)の1/4であり、la/2×d/2は、第1の接続面の面積(la×d)の1/4であり、lb/2+d/2は、第2の接続面の周囲の長さ(2lb+2d)の1/4であり、lb/2×d/2は、第2の接続面の面積(lb×d)の1/4である。
{(Lb / 2 + d / 2) / (lb / 2 × d / 2)} 2 / lb> {(wa / 2 + d / 2) / (lb / 2 × d / 2)} 2 / wa... (2)
Note that la / 2 + d / 2 is ¼ of the circumference of the first connection surface (2la + 2d), and la / 2 × d / 2 is the area of the first connection surface (la × d). Lb / 2 + d / 2 is 1/4 of the circumference of the second connection surface (2lb + 2d), and lb / 2 × d / 2 is the area of the second connection surface It is 1/4 of (lb × d).
なお、第1の流路部分3の断面積が、第1の流路部分3と第2の流路部分4の接続面の面積よりも小さい場合は、その接続面における第1の流路部分3の流路長さを第1の流路部分3に沿った流体の圧力損失で割った値は、常に、第1の流路部分3の幅を第2の流路部分3に沿った流体の圧力損失で割った値よりも大きくなり、第1の流路部分3の断面積が、第1の流路部分3と第2の流路部分4の接続面の面積よりも大きい場合は、その接続面における第1の流路部分3の流路長さを第1の流路部分3に沿った流体の圧力損失で割った値は、常に、第1の流路部分3の幅を第2の流路部分3に沿った流体の圧力損失で割った値よりも小さくなる。すなわち、第1の流路部分3の断面積が、第1の流路部分3および第2の流路部分4が接続された2箇所の接続面の一方の面積よりも大きく、他方の面積よりも小さければ、一方の接続面において第1の流路部分3から第2の流路部分4へ気泡5を移動させるとともに、他方の接続面において第2の流路部分4から第1の流路部分3への気泡5の移動を防止することができる。
In addition, when the cross-sectional area of the 1st
次に、第2の流路部分4から第1の流路部分3への気泡5の移動を防止する方法を説明する。
Next, a method for preventing the
第1の流路部分3における第1および第2の流路部分3,4の2箇所の接続部分の間の領域では、L=lc、A=wa/2、B=d/2、V=vが成り立ち、圧力損失△P30は、△P30=8×μ×v×lc×(1/wa+1/d)2となる。
In the region between the two connecting portions of the first and second
一方、第2の流路部分4における流体の圧力損失は、流路の曲がり角を境界にした3つの領域の圧力損失の和として求められる。
On the other hand, the pressure loss of the fluid in the second
まず、第2の流路部分4における第1の接続面から最初の曲がり角までの第1の領域Aでは、L=(2wb+wc)/2、A=la/2、B=d/2、V=v×wa/(la+wa)が成り立ち、圧力損失△P31は、△P31=4×μ×v×(2wb+wc)/(la+wa)×(1/la+1/d)2となる。
First, in the first region A from the first connecting surface to the first bend in the second
次に、2つの曲がり角の間の第2の領域Bでは、L=(la+2lc+lb)/2、A=wc/2、B=d/2、V=v×wa/(lb+wa)×lb/wcが成り立ち、圧力損失△P32は、△P32=4×μ×v×(la+2lc+lb)/(lb+wa)×lb×wa/wc×(1/wc+1/d)2となる。 Next, in the second region B between two bends, L = (la + 2lc + lb) / 2, A = wc / 2, B = d / 2, V = v × wa / (lb + wa) × lb / wc Thus, the pressure loss ΔP32 is ΔP32 = 4 × μ × v × (la + 2lc + lb) / (lb + wa) × lb × wa / wc × (1 / wc + 1 / d) 2 .
また、第2の流路部分4における第1の接続面から最初曲がり角までの第3の領域Cでは、L=(2wb+wc)/2、A=lb/2、B=d/2、V=v×wa/(lb+wa)×lb/laが成り立ち、圧力損失△P33は、△P33=4×μ×v×(2wb+wc)/(la+wa)×(1/la+1/d)2となる。
In the third region C from the first connection surface to the first bend in the second
このとき、△P30>△P31+△P32+△P33であれば、気泡5は、第2の流路部分4から第1の流路部分3に移動せず、△P30<△P31+△P32+△P33であれば、気泡5は、第2の流路部分4から第1の流路部分3に移動する。
At this time, if ΔP30> ΔP31 + ΔP32 + ΔP33, the
つまり、第1の接続面と第2の接続面との間において、第2の流路部分4から第1の流路部分3への気泡5の移動を防止するためには、△P30>△P31+△P32+△P33となるように流路寸法la、lc、lb、wa、wb、wc、流路高さdをそれぞれ設定すればよい。
That is, in order to prevent the
以上のように、流路長さ、流路幅を変更することにより気泡5の移動時間および圧力勾配を調整し、気泡5を移動させることが可能となる。
As described above, the
なお、上述の例において、第1の流路部分3および第2の流路部分4において流体が流れる方向に垂直な断面はそれぞれ長方形であると仮定したが、正方形としてA=Bとして計算してもよいことは明らかである。
In the above example, the first
また、第1の流路部分3および第2の流路部分4の上記断面は、円形等の形状であってよい。さらに、第2の流路部分4は、直線状の流路が接続された構成であったが、曲線状の部分を有していてもよい。それらの場合には、第1の接続面および第2の接続面における第1の流路部分の長さ、および第1および第2の接続面に垂直な方向における第1の流路部分の長さ(幅)は、それぞれ、長さ方向および幅方向に垂直な断面の中心を通る長さにしてよい。また、それらの場合には、圧力損失△Pを計算する場合には、4×(A+B)を断面の周囲の長さとし、4×A×Bを、その断面の面積として計算すればよい。
Further, the cross sections of the first
第1の流路部分および第2の流路部分の構成は、上述したものに限られず、第1の流路部分の流体が流れる方向における2箇所の接続面の間の該流体の圧力差が、第2の流路部分における該2箇所の接続面の間の該流体の圧力差よりも大きくなるように構成され、第1の流路部分の断面の面積は、第1の流路部分および第2の流路部分が接続された2箇所の接続面の一方の面積よりも大きく、他方の面積よりも小さい構成であれば、一方の接続面において第1の流路部分3から第2の流路部分4へ気泡5を移動させるとともに、他方の接続面において第2の流路部分4から第1の流路部分3への気泡5の移動を防止することができる。
The configurations of the first channel portion and the second channel portion are not limited to those described above, and the pressure difference between the two connection surfaces in the direction in which the fluid flows in the first channel portion is the same. And the pressure difference of the fluid between the two connection surfaces in the second flow path portion is larger than the first flow path portion and the cross-sectional area of the first flow path portion. If the configuration is larger than one area of the two connection surfaces to which the second flow path portion is connected and smaller than the other area, the first
なお、第1の流路部分の断面は、形状および大きさが一定であるとしたが、第1の流路部分の断面の面積は、第1の流路部分および第2の流路部分が接続された2箇所の接続面の一方の面積よりも大きく、他方の面積よりも小さければ、それらは一定でなくてもよい。 In addition, although the cross section of the 1st flow path part assumed that the shape and the magnitude | size were constant, the area of the cross section of the 1st flow path part is the 1st flow path part and the 2nd flow path part. As long as it is larger than one area of the two connected connection surfaces and smaller than the other area, they may not be constant.
また、上述の例では、流路基板は第2の流路部分4を基板2内部に埋設した例について説明したが、第2の流路部分4を基板2の表面に形成してもよい。
In the above-described example, the flow channel substrate has been described with respect to the example in which the second
また、上述の例では、第1の流路部分3に対して第2の流路部分4を1つ形成した場合について説明したが、第1の流路部分3に隣接するように第2の流路部分4を複数個形成してもよい。
In the above-described example, the case where one second
さらに、上述の例では、流路基板1の基板2が酸化アルミニウム質焼結体から成る場合について説明したが、基板2は炭化珪素質焼結体や窒化アルミニウム質焼結体等から成っていてもよい。
Furthermore, in the above example, the case where the
また、この場合、炭化珪素質焼結体は高温で高強度であることから、流路を高温で使用する場合に信頼性が高いものとなる。 Further, in this case, since the silicon carbide sintered body has high strength at a high temperature, the reliability is high when the channel is used at a high temperature.
基板2が窒化アルミニウム質焼結体から成る場合、その窒化アルミニウム質焼結体としては、例えば窒化アルミニウム含有量が97〜99重量%でAl2O3等の酸化物を1〜3重量%の範囲で含むもの、または窒化アルミニウム含有量が91〜99重量%でY2O3,Yb2O3,Er2O3等の希土類元素酸化物を1〜9重量%の範囲で含むものが挙げられる。
When the
次に、本実施の形態による流路基板1を用いた化学チップについて説明する。図3は、そのような化学チップの構成例を示す断面図である。図3に示された化学チップ11は、基板2内に、被処理流体を供給する供給部12と、第1の流路部分3を流れる酵素等の所定温度で反応する被処理流体に対して所定温度の加熱処理を行う例えばヒータ等から成る処理部13と、第1の流路部分3の下流側の端部に設けられて処理後の被処理流体を外部に導出する導出部14とを備える。
Next, a chemical chip using the
この化学チップ11は、基板2、供給部12、第1の流路部分3、第2の流路部分4、導出部14が一体的に形成されている。すなわち、複数枚のセラミックグリーンシートを用意し、レーザー加工等により、対応する各セラミックグリーンシートの所望の深さに、第1の流路部分3および第2の流路部分4の一部をそれぞれ形成し、また、レーザー加工によって、対応するセラミックグリーンシートに第1の流路部分3から第2の流路部分4まで到達する貫通孔を形成することにより第2の流路部分4を第1の流路部分3に接続させる。また、このレーザー加工によって供給部12および導出部14をそれぞれ形成し、このグリーンシート積層体を積層し、加熱焼成することにより、基板2、供給部12、第1の流路部分3、第2の流路部分4、および導出部14が一体的に形成された化学チップ11が得られる。
In the
ここで、化学チップ11の構成について説明する。供給部12より被処理流体をポンプ等により送液、供給し、第1の流路部分3内で合流して混合する。この際、供給部12が2個以上あれば、それらの供給部12に種類が異なる流体を供給し、第1の流路部分3においてそれらの流体を混合させることができる。
Here, the configuration of the
なお、流路基板1の寸法は、長さ、幅および高さがそれぞれ数百μm、数mmおよび数mm程度である。また、第1の流路部分3の断面積は、2.5×10−3〜1mm2が好ましい。このとき、第1の流路部分3の断面積は小さいため、被処理流体の拡散時間が短く、反応効率が向上して反応時間を削減することが可能である。
In addition, the dimension of the
第1の流路部分3の断面積が1mm2より大きい場合、被処理流体の拡散時間が長くなり、反応効率が低下する。一方、第1の流路部分3の断面積が2.5×10−3mm2より小さくなると圧力損失が大きくなり、送液に問題が生じる。
When the cross-sectional area of the first
また、第2の流路部分4の第1の流路部分より大きい接続面の断面積は、第1の流路部分の断面積の2倍以上である5×10−3mm2以上が好ましい。第2の流路部分4の断面積が第1の流路部分の断面積の2倍より小さくなると第1の流路部分への気泡の移動時間と第2の流路部分への気泡の移動時間との差が小さくなり、第1の流路部分から第2の流路部分への気泡の移動を防止することが不完全になる。
Moreover, the cross-sectional area of the connection surface larger than the first flow path portion of the second
また、第2の流路部分4の第1の流路部分より小さい接続面の断面積は、第1の流路部分の断面積の1/2以下である2.5×10−3〜0.5mm2が好ましい。第2の流路部分4の断面積が第1の流路部分の断面積の1/2より大きくなると第1の流路部分への気泡の移動時間と第2の流路部分への気泡の移動時間との差が小さくなり、第1の流路部分から第2の流路部分へ気泡を移動させることが不完全になる。一方、第2の流路部分4の断面積が2.5×10−3mm2より小さくなると圧力損失が大きくなり、送液に問題が生じる。
Moreover, the cross-sectional area of the connection surface smaller than the first flow path portion of the second
第1の流路部分3には、第2の流路部分4が2箇所で接続されており、気泡が第2の流路部分4に移動する。そして、第1の流路部分3には、気泡が混入していない被処理流体が流れ、その流体に処理部13によって所定の処理が行われるために、効率的な反応処理を行うことが可能である。処理部13によって処理された流体は、処理部13より下流側に配置された導出部14に到達する。そして、その処理後の被処理流体は、導出部14により外部に導出されて採取される。なお、上述したように、気泡が混入していない流体に対して効率的な処理を行うためには、第1の流体部分3を流れる流体の方向を基準として、処理部13を、第2の流路部分4の下流側、すなわち上記第1の接続面の下流側に設ける必要がある。なお、第1の流路部分3および第2の流路部分4の2箇所の接続面のうち、第1の流体部分3を流れる流体の方向を基準として上流側の接続面の面積が、第1の流路部分3の断面積よりも小さい場合には、処理部13は、この上流側の接続面の下流側に設けられてもよい。
The second
以上のような構成によれば、流路を流れる流体内の気泡が容易に除去されることから、化学チップ11の性能が向上する。すなわち、上記の化学チップ11を用いれば、流体に対する処理をより効率的に行うことができる。また、この化学チップ11を用いて流体について何らかの測定を行う場合には、測定精度が向上するという効果も得られる。
According to the configuration as described above, since the bubbles in the fluid flowing through the flow path are easily removed, the performance of the
なお、導出部14や処理部13にセンシング手段(図示せず)を配置することにより、被処理流体の反応効率を随時把握することが可能となり、流速を変化させて連続的な駆動を行うことにより、より反応効率が高い条件で使用可能な化学チップ11を得ることが可能である。
In addition, by arranging sensing means (not shown) in the
また、この流路基板1に、第1の流路部分3を流れる流体に照射する光を導く光路(図示せず)が設けられてもよい。この場合、第1の流路部分3を流れる流体の向きを基準として、第2の流路部分4の下流側を流れる流体に光が照射されるように、光路が設けられることが好ましい。このような構成にすれば、流体に所定波長の光を照射して光反応を起こさせることも可能になる。なお、その場合には、処理部13を省略することができる。
Further, the
また、供給部12を3箇所以上設けることにより、段階的な反応を発生させることも可能となる。
Moreover, it becomes possible to generate a stepwise reaction by providing three or
なお、化学チップは上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば種々の変更は可能である。 The chemical chip is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
更に、上述の実施の形態では流路基板を化学チップに使用した場合について述べたが、これに限定されるものではなく、熱交換器等の産業機器、メタノール型燃料電池等の電子部品およびパソコンの水冷モジュール等の一般家庭用機器に利用してもよい。 Furthermore, in the above-described embodiment, the case where the flow path substrate is used for the chemical chip has been described. However, the present invention is not limited to this. Industrial devices such as heat exchangers, electronic components such as methanol fuel cells, and personal computers It may be used for general household equipment such as a water cooling module.
以下に、本発明の流路基板の動作を従来の流路基板と比較して説明する。 Hereinafter, the operation of the flow path substrate of the present invention will be described in comparison with a conventional flow path substrate.
先ず、図1に示すように、酸化アルミニウムからなるグリーンシートを複数枚積層し、レーザー加工により流路を形成し、このグリーンシート積層体を加熱し焼成することにより、流路が形成された流路基板1を作製した。
First, as shown in FIG. 1, a plurality of green sheets made of aluminum oxide are laminated, a flow path is formed by laser processing, and the green sheet laminate is heated and fired to obtain a flow in which the flow path is formed. A
また、比較例として図4に示すような第2の流体部分4の無い従来の流路基板101を、上述と同様に酸化アルミニウムからなるセラミックグリーンシートを用いて作製した。
As a comparative example, a conventional
次に、本実施の形態による流路基板1および従来の流路基板101について、流速が安定時で0.1m/sとなるようにして、第2の流路部分3の流入部および流出部の気泡数をマイクロスコープで観察した映像を記録し、気泡移動率=(流入部の気泡数-流出部の気泡数)/流入部の気泡数として計算した。
Next, with respect to the
また、第1の接続面における第1の流路部分の流体が流れる方向の流路長さを圧力損失で割った値と第2の流路部分の流体が流れる方向の流路長さを圧力損失で割った値との差を計算した。同じく、第2の接続面における第1の流路部分の流体が流れる方向の流路長さを圧力損失で割った値と第2の流路部分の流体が流れる方向の流路長さを圧力損失で割った値との差を計算した。また、第1および第2の接続面の間の第1の流路部分の該流体の圧力差と第2の流路部分の該流体の圧力差との差を計算した。 In addition, a value obtained by dividing the flow path length in the direction in which the fluid in the first flow path portion in the first connection surface flows by the pressure loss and the flow path length in the direction in which the fluid in the second flow path portion flows are pressure. The difference from the value divided by the loss was calculated. Similarly, the value obtained by dividing the flow path length in the direction in which the fluid in the first flow path portion flows in the second connection surface by the pressure loss and the flow path length in the direction in which the fluid in the second flow path portion flows are pressure. The difference from the value divided by the loss was calculated. Further, the difference between the pressure difference of the fluid in the first flow path portion and the pressure difference of the fluid in the second flow path portion between the first and second connection surfaces was calculated.
その結果を表1に示す。
表1より、気泡の移動を考慮していない従来の流路基板101は、気泡移動率は、0%であるのに対し、本実施の形態による流路基板1は、気泡移動率は、100%と完全に気泡が移動していることがわかった。
From Table 1, the conventional
1 流路基板
2 基板
3 第1の流路部分
4 第2の流路部分
5 気泡
11 化学チップ
12 供給部
13 処理部
14 導出部
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記第1の流路部分および第2の流路部分は、前記第1の流路部分の前記流体が流れる方向における前記2箇所の接続面の間の該流体の圧力差が、前記第2の流路部分における該2箇所の接続面の間の該流体の圧力差よりも大きくなるように構成され、
前記第1の流路部分の前記流体が流れる方向に垂直な断面の面積は、前記第1の流路部分および第2の流路部分が接続された前記2箇所の接続面の一方の面積よりも大きく、他方の面積よりも小さいことを特徴とする流路基板。 A flow path substrate in which a flow path through which a fluid flows is provided inside the substrate, wherein the flow path includes a first flow path portion in which the fluid flows in a single path, and the first flow path portion. A second flow path portion provided adjacent to and connected to the first flow path portion at two locations;
The first flow path portion and the second flow path portion have a difference in pressure of the fluid between the two connection surfaces in the direction in which the fluid flows in the first flow path portion. Configured to be greater than the pressure difference of the fluid between the two connection surfaces in the flow path portion,
The area of the cross section perpendicular to the direction in which the fluid flows in the first flow path portion is larger than the area of one of the two connection surfaces to which the first flow path portion and the second flow path portion are connected. A flow path substrate characterized by being larger and smaller than the other area.
前記第1の流路部分の断面および第1および第2の接続面は、それぞれ正方形又は長方形であり、
前記2箇所の接続面のうち前記第1の流路部分の断面の面積よりも小さい面積を有する第1の接続面について、該第1の接続面の周囲の長さの1/4の2乗を、該第1の接続面における前記第1の流路部分の長さと該第1の接続面の面積の1/4の2乗との積で割った値は、前記断面の周囲の長さの1/4の2乗を、該第1の接続面に垂直な方向における前記第1の流路部分の長さと該断面の面積の1/4の2乗との積で割った値よりも小さく、
前記2箇所の接続面のうち前記第1の流路部分の断面の面積よりも大きい面積を有する第2の接続面について、該第2の接続面の周囲の長さの1/4の2乗を、該第2の接続面における前記第1の流路部分の長さと該第2の接続面の面積の1/4の2乗との積で割った値は、前記断面の周囲の長さの1/4の2乗を、該第2の接続面に垂直な方向における前記第1の流路部分の長さと該断面の面積の1/4の2乗との積で割った値よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載の流路基板。 The cross section of the first flow path portion has a constant shape and size between the two connection surfaces,
The cross section of the first flow path portion and the first and second connection surfaces are each square or rectangular,
Of the two connection surfaces, the first connection surface having an area smaller than the cross-sectional area of the first flow path portion is a square of the length of the circumference of the first connection surface. Is divided by the product of the length of the first flow path portion on the first connection surface and the square of the area of the first connection surface to the square of 1/4. Is divided by the product of the length of the first flow path portion in the direction perpendicular to the first connection surface and the square of the area of the cross section. small,
Of the two connection surfaces, the second connection surface having an area larger than the cross-sectional area of the first flow path portion is ¼ of the length of the circumference of the second connection surface. Is divided by the product of the length of the first flow path portion on the second connection surface and the square of the area of the second connection surface to be the square of the area of the cross section. Is divided by the product of the length of the first flow path portion in the direction perpendicular to the second connection surface and the square of the area of the cross section. The flow path substrate according to claim 1, wherein the flow path substrate is large.
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CN114728258A (en) * | 2019-11-27 | 2022-07-08 | 京瓷株式会社 | Flow path device |
-
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- 2006-07-28 JP JP2006206110A patent/JP2008032526A/en active Pending
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