JP2008223684A - Micropump and liquid flow forming method using temperature difference marangoni effect - Google Patents

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洋 河村
Kenji Sugimoto
賢司 杉本
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a micropump providing low resistance against a flow, requiring no movable section, and easily structured, by using a temperature difference Marangoni effect. <P>SOLUTION: This micropump for generating a liquid flow by using the temperature difference Marangoni effect has: a passage member 10 having at least one passage which has a liquid inlet 11 to which liquid 40 is fed and a liquid outlet 12 from which the liquid 40 is fed and in which the liquid fed from the liquid inlet is led to flow toward the liquid outlet; and temperature gradient forming means 20, 30 which are arranged to the passage member 10 and form, along the passage, a temperature gradient reduced flately from the side of the liquid inlet toward the side of the liquid outlet. The passage member 10 is so configured that a single free surface 40A continued along the passage leading from the liquid inlet to the liquid outlet is formed in a passage direction on the liquid 40 circulated into the passage member. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

この発明は、温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプおよび液流生成方法に関する。   The present invention relates to a micropump and a liquid flow generation method utilizing a temperature difference Marangoni effect.

マイクロポンプは、微量の流体を一方向に向けて駆動して液流を生成するポンプとして知られ、医療や化学分析等の分野での使用が意図され、液流生成のために液を駆動する方式にも、超音波型、回転型、磁性流体型等種々の方式が知られているが、中でも実用に適したものとしてダイヤフラム型のマイクロポンプが知られている。   A micropump is known as a pump that generates a liquid flow by driving a small amount of fluid in one direction, and is intended for use in fields such as medical treatment and chemical analysis. Various systems such as an ultrasonic type, a rotary type, and a magnetic fluid type are known. Among them, a diaphragm type micropump is known as one suitable for practical use.

ダイヤフラム型マイクロポンプを初めとする従来知られたマイクロポンプは、液を駆動するのに「体積力」を用いている。体積力は「駆動部における被駆動流体の体積に比例」するので、駆動部の寸法:Lの3乗に比例する。このため、駆動部の寸法がある程度大きい場合には液を有効に駆動することができるが、駆動部の寸法:Lが小さくなると、駆動力としての体積力は急速に減少してしまう。また、ダイヤフラムを変形させる必要があるが、駆動部のサイズが非常に小さくなると変形駆動可能なダイヤフラムを実現することも難しくなる。   Conventionally known micropumps such as diaphragm type micropumps use “volume force” to drive the liquid. Since the body force is “proportional to the volume of the driven fluid in the drive unit”, it is proportional to the dimension of the drive unit: L 3. For this reason, when the dimension of the drive part is large to some extent, the liquid can be driven effectively, but when the dimension of the drive part: L becomes small, the volume force as the drive force is rapidly reduced. Further, it is necessary to deform the diaphragm. However, if the size of the driving unit is very small, it is difficult to realize a diaphragm that can be deformed and driven.

このような事情に鑑み、駆動部の寸法が小さくなったときに支配的となる「面積力」を駆動力として利用することが考えられ、表面力として温度差マランゴニ効果を利用するマイクロポンプが提案されている(非特許文献1、2)。
発明者らは、先に、温度差マランゴニ効果を利用する新規なマイクロポンプの研究を、学術団体「社団法人日本機械学会」が開催する研究集会「熱工学コンファレンス」において「文書(非特許文献3)」をもって発表した。
In view of such circumstances, it is conceivable to use the “area force” that becomes dominant when the dimensions of the drive unit become smaller as the drive force, and a micropump that uses the temperature difference Marangoni effect as the surface force is proposed. (Non-Patent Documents 1 and 2).
The inventors previously conducted research on a novel micropump using the temperature difference Marangoni effect at a research meeting “Thermal Engineering Conference” held by the academic society “The Japan Society of Mechanical Engineers”. ) ”.

非特許文献1記載のものは、液の流路の上方から「熱電素子によるリブ」を複数個、流路に直交するようにして液中に浸漬し、リブ間に液の自由表面を露呈させ、リブ間において液表面に温度勾配を形成し、温度差マランゴニ効果により流路内に液流を生成するものであるが、リブが液流に直交するように配置されて液中に浸漬されているので、生成される液流に対してリブの部分で粘性摩擦抵抗を生じ、液流が抑制されるという問題を有すると考えられる。   Non-Patent Document 1 describes that a plurality of “ribs by thermoelectric elements” are immersed in the liquid so as to be orthogonal to the flow path from above the liquid flow path, and the free surface of the liquid is exposed between the ribs. A temperature gradient is formed between the ribs on the liquid surface, and a liquid flow is generated in the flow path due to the temperature difference Marangoni effect, but the ribs are arranged so as to be orthogonal to the liquid flow and immersed in the liquid. Therefore, it is considered that there is a problem that viscous frictional resistance is generated at the rib portion with respect to the generated liquid flow, and the liquid flow is suppressed.

非特許文献2に記載のものは、流路内一杯に液を通じるとともに、流路に沿って2つの熱源を設け、一方の熱源による流路内に加熱による沸騰で液の自由表面(気液境界面)を形成するとともに、他方の熱源により流路に沿う温度勾配を制御し、上記自由表面に生じる温度差マランゴニ効果を利用して液流を生成するものであり、2つの独立した熱源を必要とする。   Non-Patent Document 2 describes that a liquid is passed through the flow path as a whole, two heat sources are provided along the flow path, and the free surface of the liquid (gas-liquid) is boiled by heating in the flow path of one heat source. The temperature gradient along the flow path is controlled by the other heat source, and a liquid flow is generated by utilizing the temperature difference Marangoni effect generated on the free surface. I need.

日本機械学会熱工学コンファレンス論文集(2003 439〜440頁)熱電素子によるマランゴニ効果を用いたマイクロアクチュエータThe Japan Society of Mechanical Engineers Thermal Engineering Conference Proceedings (2003, pages 439-440) Microactuators using Marangoni effect by thermoelectric elements Tech Dig IEEE Micro Electro Mech Syst Vol.15 PP109〜112 2002(FABRICATION AND PERFORMANCE TESTINNG OF A STEADY THERMOCAPILLARY PUMP WITH NO MOVING PARTS)Tech Dig IEEE Micro Electro Mech Syst Vol.15 PP109〜112 2002 (FABRICATION AND PERFORMANCE TESTINNG OF A STEADY THERMOCAPILLARY PUMP WITH NO MOVING PARTS) 熱工学コンファレンス講演論文集(No.06−2 2006 PP167〜168)Proceedings of Thermal Engineering Conference (No.06-2 2006 PP167-168)

この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであって、温度差マランゴニ効果を利用し、流れに対する抵抗が少なく、可動部を必要とせず、構造が簡素なマイクロポンプの実現、かかるマイクロポンプを用いて液流を生成する方法の実現を課題とする。   The present invention has been made in view of the above-mentioned circumstances, and utilizes the temperature difference Marangoni effect, has little resistance to flow, does not require a movable part, realizes a micropump with a simple structure, and provides such a micropump. It is an object of the present invention to realize a method for generating a liquid flow using the method.

この発明のマイクロポンプは以下の如きものである。
1−1.「温度差マランゴニ効果を利用して液流を生成するマイクロポンプ」であって、流路部材と、温度勾配形成手段とを有する。
「流路部材」は、液を供給される液入口と供給された液を送出する液出口とを有し、液入口から供給される液が液出口に向かって流れる流路を有する。付言すると、流路部材は、液の流れる液流路中に「液流路の一部」として配置される。液は液流路全体を満たしており、流路部材の部分での「温度差マランゴニ効果」により駆動されて、液流路全体に液流が生じる。
The micropump of the present invention is as follows.
1-1. A “micropump that generates a liquid flow using the temperature difference Marangoni effect”, and includes a flow path member and a temperature gradient forming unit.
The “flow path member” has a liquid inlet to which a liquid is supplied and a liquid outlet to send out the supplied liquid, and has a flow path in which the liquid supplied from the liquid inlet flows toward the liquid outlet. In addition, the channel member is disposed as “a part of the liquid channel” in the liquid channel through which the liquid flows. The liquid fills the entire liquid flow path, and is driven by the “temperature difference Marangoni effect” in the flow path member portion to generate a liquid flow in the entire liquid flow path.

「温度勾配形成手段」は、流路部材に、流路に沿って「液入口側から液出口側へ向かって、温度が単調に減少する温度勾配」を形成する手段である。
流路部材は、この流路部材に流通される液に対して「液入口から液出口に至る流路に沿って連続した、流路方向に単一の自由表面が形成される」ように構成されている。
即ち、自由表面は流路に沿って連続しており断続していない。また、流路方向に単一である。「自由表面が流路方向に単一である」とは、流路部材における流路が1つである場合には、この流路に沿って単一の自由表面が連続して形成されるが、流路部材に2以上の流路がある場合には、各流路に「単一で連続した自由表面」が流路に沿って形成される。
“Temperature gradient forming means” is means for forming a “temperature gradient in which the temperature monotonously decreases from the liquid inlet side toward the liquid outlet side” along the flow path in the flow path member.
The flow path member is configured so that “a single free surface is formed in the flow path direction that is continuous along the flow path from the liquid inlet to the liquid outlet” with respect to the liquid flowing through the flow path member. Has been.
That is, the free surface is continuous along the flow path and is not interrupted. Moreover, it is single in the flow path direction. “The free surface is single in the flow path direction” means that when there is one flow path in the flow path member, a single free surface is continuously formed along the flow path. When there are two or more channels in the channel member, a “single and continuous free surface” is formed along each channel in each channel.

「流路に沿って形成され、流路に沿って連続し、流路方向に単一の自由表面」は、液入口から液出口に至る流路全長に亘ることが好ましいが、現実には、液入口から液出口に至る流路の大部分(例えば、流路長の80%以上の領域)において形成されればよい。   “The free surface formed along the flow path, continuous along the flow path, and single in the flow path direction” preferably extends over the entire length of the flow path from the liquid inlet to the liquid outlet. What is necessary is just to form in most parts (for example, area | region of 80% or more of flow path length) of the flow path from a liquid inlet to a liquid outlet.

このように、この発明のマイクロポンプは、温度勾配形成手段により「液入口側から液出口側へ向かって、温度が単調に減少する温度勾配」が形成され、流路部材の内部において液の単一の自由表面が流路に沿って連続して形成されるので、この自由表面に連続した温度勾配を形成でき、従って、温度差マランゴニ効果を上記自由表面に有効に発生させることにより、良好な液流を生成できる。また「温度差マランゴニ効果による液流を妨げる構造」が流路部材内に無いので、液流抑制の問題が無い。さらに、液の駆動が温度差マランゴニ効果によって行われるため、液の駆動に可動部を必要としない。   As described above, in the micropump of the present invention, the “temperature gradient in which the temperature monotonously decreases from the liquid inlet side to the liquid outlet side” is formed by the temperature gradient forming means, and the liquid is simply set in the flow path member. Since one free surface is continuously formed along the flow path, a continuous temperature gradient can be formed on this free surface. Therefore, by effectively generating the temperature difference Marangoni effect on the free surface, A liquid flow can be generated. Further, since there is no “structure for preventing the liquid flow due to the temperature difference Marangoni effect” in the flow path member, there is no problem of liquid flow suppression. Further, since the liquid is driven by the temperature difference Marangoni effect, no movable part is required for driving the liquid.

温度勾配形成手段は、流路に沿って「液入口側から液出口側へ向かって、温度が単調に減少する温度勾配」を流路手段に形成すればよく、加熱のための熱源は1つでもよい。また、非特許文献2の場合のように、加熱により自由表面(気液境界面)を強制的に形成する必要がないから大きな加熱エネルギを必要としない。   The temperature gradient forming means may form a “temperature gradient in which the temperature monotonously decreases from the liquid inlet side to the liquid outlet side” along the flow path in the flow path means, and there is one heat source for heating. But you can. Further, unlike the case of Non-Patent Document 2, it is not necessary to forcibly form a free surface (gas-liquid boundary surface) by heating, so that large heating energy is not required.

上記1−1のマイクロポンプにおける流路部材は「液入口側から液出口側へ1以上の流路を貫通された構造のもの」であることができる(1−2)。
1−2のマイクロポンプにおいて、流路部材は「液入口側から液出口側へ向かって2以上の流路が隔設されているものである」こともできる(1−3)。
The channel member in the micro pump of 1-1 may be “having a structure in which one or more channels are penetrated from the liquid inlet side to the liquid outlet side” (1-2).
In the micropump of 1-2, the flow path member may be “one having two or more flow paths spaced from the liquid inlet side toward the liquid outlet side” (1-3).

1−2のマイクロポンプにおける流路部材はまた「流路上方側から流路底部に向かって突出する1以上のリブが、流路方向と並行に形成されているものである」ことができ(1−4)、この場合「流路部材の流路上方側から流路底部に向かって突出する1以上のリブが、流路底部に当接する」こともできるし(1−5)、「流路部材の流路上方側から流路底部に向かって突出する1以上のリブの先端部が、流路内を流れる液中に浸漬される」こともでき(1−6)、さらには「流路部材の流路上方側から流路底部に向かって突出する1以上のリブの先端部が、流路内を流れる液の液面に当接する」構成とすることもできる(1−7)。   The flow path member in the 1-2 micropump can also be "one or more ribs projecting from the upper side of the flow path toward the bottom of the flow path are formed in parallel with the flow path direction" ( 1-4) In this case, “one or more ribs projecting from the channel upper side of the channel member toward the channel bottom may contact the channel bottom” (1-5) The tip of one or more ribs protruding from the upper side of the channel of the road member toward the bottom of the channel can be immersed in the liquid flowing in the channel (1-6). The tip of one or more ribs protruding from the upper side of the channel of the path member toward the bottom of the channel may be in contact with the liquid level of the liquid flowing in the channel (1-7).

上記1−6、1−7の場合、流路部材に形成される流路の底部は通底しているので、流路としては単一であるが、1以上のリブが自由表面に当接もしくは液中に浸漬されることにより、自由表面はリブにより分離されて2以上の自由表面となるが、この場合においても、分離された各自由表面は「流路に沿って連続し、流路方向に単一」である。   In the case of the above 1-6 and 1-7, since the bottom of the flow path formed in the flow path member is passing through, the flow path is single, but one or more ribs are in contact with the free surface Alternatively, by immersing in the liquid, the free surface is separated by the ribs to become two or more free surfaces. In this case as well, each separated free surface is “continuous along the flow path, Single in direction ".

上記1−2〜1−7のマイクロポンプは何れも「流路部材が単一材料による一体構造」であることができる(1−8)。   Any of the micro pumps of 1-2 to 1-7 described above can have a “flow channel member having an integral structure of a single material” (1-8).

また、上記1−2〜1−7のマイクロポンプは何れも「流路部材が、上流路部材と下流路部材とを上下に組合せて構成されている」ことができ(1−9)、この場合「上流路部材が、流路上方側から流路底部に向かって突出する1以上のリブを有する構成とすることができる(1−10)。   Further, any of the micro pumps of 1-2 to 1-7 described above can be "the flow path member is configured by combining the upper flow path member and the lower flow path member vertically" (1-9). In the case “the upper flow path member may have one or more ribs protruding from the upper side of the flow path toward the flow path bottom (1-10).

上記1−9または1−10のマイクロポンプは「温度勾配形成手段が、上流路部材に対して加熱・冷却を行い、上流路部材が、流通すべき液よりも熱伝導性の高い材料で構成されている構成」とすることができる(1−11)。なお、下流路部材は、流通すべき液よりも熱伝導性の低い材料で構成されることが好ましい。   The micro pump of 1-9 or 1-10 is “the temperature gradient forming means heats and cools the upper flow path member, and the upper flow path member is made of a material having higher thermal conductivity than the liquid to be circulated. Configuration ”(1-11). Note that the lower flow path member is preferably made of a material having lower thermal conductivity than the liquid to be circulated.

上記1−1〜1−11のマイクロポンプは何れも「温度勾配形成手段が、液入口側を過熱するヒータ」を少なくとも有することができる(1−12)。
上記1−1〜1−12のマイクロポンプは何れも「温度勾配形成手段が、流出口側を冷却する冷却手段を有する」ことができる(1−13)。この場合において、冷却手段として「ペルチエ素子」を好適に用いることができる(1−14)。このようにペルチエ素子を冷却手段として用いる場合、ペルチエ素子の放熱側に発生する熱を液入口側に導熱する導熱部材を有し、ペルチエ素子と導熱部材を「ヒータの少なくとも一部」として用いることができる(1−15)。
Any of the micropumps 1-1 to 1-11 can have at least a “heater in which the temperature gradient forming means overheats the liquid inlet side” (1-12).
Any of the micropumps 1-1 to 1-12 can have "the temperature gradient forming means has a cooling means for cooling the outlet side" (1-13). In this case, a “Peltier element” can be suitably used as the cooling means (1-14). Thus, when using a Peltier element as a cooling means, it has a heat conducting member that conducts heat generated on the heat radiation side of the Peltier element to the liquid inlet side, and uses the Peltier element and the heat conducting member as “at least part of the heater”. (1-15).

温度勾配形成手段は「流路部材の流路に沿って液入口側から液出口側へ向かって、温度が単調に低下する温度勾配を形成できるもの」であれば、特に制限無く用いることができる。上記1−12のように、液入口側を過熱するヒータが用いられる場合、液出口側では「液入口側で加熱されて流れる液流が輸送する熱」を効率的に液から取り去る必要がある。「どの程度の熱を取り去るべきか」は、マイクロポンプの大きさや流通する液量にも依存する。   The temperature gradient forming means can be used without any limitation as long as it can form a temperature gradient in which the temperature decreases monotonously from the liquid inlet side toward the liquid outlet side along the flow path of the flow path member. . When a heater that superheats the liquid inlet side is used as in 1-12 above, it is necessary to efficiently remove from the liquid the “heat transported by the liquid flow heated by the liquid inlet side” on the liquid outlet side. . “How much heat should be removed” depends on the size of the micropump and the amount of liquid flowing.

流通する液量が少ない場合であれば、流路の液出口側は「自然放熱や放熱フィンによる放熱」で十分である場合もある。しかし一般には、液入口側を加熱するとともに、液出口側をペルチエ素子のような冷却手段で積極的に冷却するのがよい。   If the amount of liquid flowing is small, “natural heat radiation or heat radiation by heat radiation fins” may be sufficient on the liquid outlet side of the flow path. However, in general, it is preferable to heat the liquid inlet side and actively cool the liquid outlet side with a cooling means such as a Peltier element.

冷却手段としてはペルチエ素子のほかに「冷却液や冷却風による冷却を行うもの」でもよい。ペルチエ素子は一方の側が冷却部、他方の側が放熱部となり、1つの素子に冷・熱2部分が生じるので、ペルチエ素子を用いる場合には、上記1−15のように、ペルチエ素子の放熱する側に発生する熱を導熱部材により液入口側へ導熱し、この導熱部材とペルチエ素子とでヒータを構成するか、あるいは他のヒータと組合せて液入口側の加熱に供することができる。   As the cooling means, in addition to the Peltier element, “one that performs cooling with a coolant or cooling air” may be used. The Peltier element has a cooling part on one side and a heat radiating part on the other side, so that two elements of cold and heat are generated in one element. When using a Peltier element, the Peltier element radiates heat as in 1-15 above. The heat generated on the side can be conducted to the liquid inlet side by the heat conducting member, and a heater can be constituted by this heat conducting member and the Peltier element, or can be used for heating the liquid inlet side in combination with other heaters.

また、流路部材における流路の断面形状は、矩形形状を初めとして種々の形状が可能である。流通される液も「駆動に必要な温度差マランゴニ効果」を発生できるものであれば特に制限はなく、シリコーンオイルや清浄水、アルコール系液体、油、薬液等、広範な種類の液を流通させることができる。   Moreover, the cross-sectional shape of the flow path in the flow path member can be various shapes including a rectangular shape. There is no particular limitation as long as the liquid to be distributed can generate the “temperature difference Marangoni effect necessary for driving”, and a wide variety of liquids such as silicone oil, clean water, alcohol liquid, oil, and chemical liquid are distributed. be able to.

流路部材に形成される温度勾配を制御することにより、流量を制御できるので、この発明のマイクロポンプを「化学反応液やDNA鑑定液、薬液等の分流や合流」に好適に使用することができる。また、上記1−1〜1−15のマイクロポンプは、これを並列的に用いて、流量が同一あるいは異なる複数の液流を生成することもできるし、複数のマイクロポンプを流れの方向に直列に配列して駆動力を増大させることもできる。
1−16の液流生成方法は、1−1〜1−15の何れかのマイクロポンプを用いて液流を生成する方法である。
Since the flow rate can be controlled by controlling the temperature gradient formed in the flow path member, the micropump of the present invention can be suitably used for “dividing and converging chemical reaction solution, DNA test solution, drug solution, etc.” it can. In addition, the micro pumps 1-1 to 1-15 can be used in parallel to generate a plurality of liquid flows having the same or different flow rates, and the plurality of micro pumps are connected in series in the flow direction. It is also possible to increase the driving force by arranging in the above.
The liquid flow generation method 1-16 is a method of generating a liquid flow using any one of the micropumps 1-1 to 1-15.

以上に説明したように、この発明によれば、温度差マランゴニ効果を有効に利用して、流れに対する抵抗が少なく、機械的な駆動力を作用させる可動部を必要とせず、構造が簡素なマイクロポンプを実現でき、かかるマイクロポンプを用いて液流を生成する方法を実現できる。   As described above, according to the present invention, the temperature difference Marangoni effect is effectively used, the resistance to the flow is small, the movable part for applying the mechanical driving force is not required, and the structure is simple. A pump can be realized, and a method of generating a liquid flow using such a micro pump can be realized.

以下、実施の形態を説明する。
図1は、マイクロポンプの実施の形態を説明するための図である。
図1(a)において、符号10は流路部材、符号20はヒータ、符号30は冷却手段、符号40は「流通させるべき液」を示している。流路部材10は液40を供給される液入口11と液40を送出する液出口12とを有し、これら液入口11、液出口12は液流通路50に連結されている。
Hereinafter, embodiments will be described.
FIG. 1 is a diagram for explaining an embodiment of a micropump.
In FIG. 1A, reference numeral 10 denotes a flow path member, reference numeral 20 denotes a heater, reference numeral 30 denotes a cooling means, and reference numeral 40 denotes “liquid to be circulated”. The flow path member 10 has a liquid inlet 11 to which the liquid 40 is supplied and a liquid outlet 12 for sending out the liquid 40. The liquid inlet 11 and the liquid outlet 12 are connected to a liquid flow path 50.

液40は、液流通路50から液入口11に供給されて流路部材10の流路10Aを介して液出口12へ通じ、さらに液流通路50に通じる。流路10A内においては、液40に自由表面40Aが形成される。形成される自由表面40Aは図示の如く「液入口11から液出口12に至る流路10Aに沿って連続し、流路方向に単一」である。   The liquid 40 is supplied from the liquid flow passage 50 to the liquid inlet 11, communicates with the liquid outlet 12 via the flow path 10 </ b> A of the flow path member 10, and further communicates with the liquid flow path 50. A free surface 40 </ b> A is formed in the liquid 40 in the flow path 10 </ b> A. As shown in the figure, the formed free surface 40A is “continuous along the flow path 10A from the liquid inlet 11 to the liquid outlet 12 and is single in the flow path direction”.

図1(a)の状態で、ヒータ20を発熱させて流路部材20の液入口11側を過熱し、冷却手段30(この実施の形態では「ペルチエ素子」が用いられている。)により液出口側の冷却を行うと「液入口側から液出口側へ向かって単調に温度が減少する温度勾配」が強制的に形成される。即ち、図1(a)の実施の形態において、ヒータ20と冷却手段30とは「温度勾配形成手段」を構成する。   In the state of FIG. 1A, the heater 20 generates heat to superheat the liquid inlet 11 side of the flow path member 20, and the cooling means 30 (in this embodiment, “Peltier element” is used). When the outlet side is cooled, a “temperature gradient in which the temperature decreases monotonously from the liquid inlet side toward the liquid outlet side” is forcibly formed. That is, in the embodiment of FIG. 1A, the heater 20 and the cooling means 30 constitute a “temperature gradient forming means”.

説明を先に進める前に、流路部材10における流路の状態を説明する。
前述の如く、流路は、液入口側から液出口側へ「1以上の流路が貫通する」ように形成されることができる。そして、これら1以上の各流路の断面形状は、矩形形状や円形状、楕円形状、多角形形状等の種々の形状が許容される。
Before proceeding with the description, the state of the flow path in the flow path member 10 will be described.
As described above, the channel can be formed so that “one or more channels pass through” from the liquid inlet side to the liquid outlet side. The cross-sectional shape of each of the one or more flow paths may be various shapes such as a rectangular shape, a circular shape, an elliptical shape, and a polygonal shape.

これらのもののうち代表的な2例を図1(b)と(c)に示す。
図1(b)に示す流路部材100は、下流路部材として「ガラスや樹脂等の熱伝導性の低い材料」による平板状の底板101が用いられ、底板101の上方から上流路部材102が被せられている。上流路部材102は金属や合金等の熱伝導性の高い材料により形成され、図1(b)で下方の面には、複数のリブLb1、LB2・・が図面に直交する方向に一様の断面形状で凸設され、隣接するリブ間は「断面矩形状の溝」となっている。
Two typical examples of these are shown in FIGS. 1B and 1C.
In the flow path member 100 shown in FIG. 1B, a flat bottom plate 101 made of “material having low thermal conductivity such as glass or resin” is used as a lower flow path member, and the upper flow path member 102 extends from above the bottom plate 101. It is covered. The upper flow path member 102 is formed of a material having high thermal conductivity such as a metal or an alloy, and a plurality of ribs Lb1, LB2,... Are uniform on the lower surface in FIG. Projecting in a cross-sectional shape, a gap between adjacent ribs is a “groove having a rectangular cross section”.

リブLB1等の自由端部は底板101の表面に当接し、この状態で底板(下流路部材)101と上流路部材102とは接着等の手段により互いに一体化され、図の如く、断面矩形形状の複数流路(図の例では4個)が図面に直交する方向へ貫通している。各流路は互いに隔設され、液40は、各流路内で流路に沿って連続して単一な自由表面40Aを形成する。   The free ends of the ribs LB1 and the like are in contact with the surface of the bottom plate 101. In this state, the bottom plate (lower flow path member) 101 and the upper flow path member 102 are integrated with each other by means such as adhesion, and as shown in the figure, the cross section is rectangular. The plurality of flow paths (four in the example in the figure) penetrate in a direction orthogonal to the drawing. Each flow path is separated from each other, and the liquid 40 continuously forms along the flow path within each flow path to form a single free surface 40A.

図1(c)に示す流路部材110は、下流路部材として、ガラスや樹脂等の熱伝導性の低い材料による平板状の底板111が用いられ、底板111の上方から上流路部材112が被せられている。上流路部材112は金属や合金等の熱伝導性の高い材料により形成され、図1(c)で下方の面には、複数のリブLb11、LB12・・が図面に直交する方向に一様に凸設され、隣接するリブ間は「断面矩形状の溝」となっている。   In the flow path member 110 shown in FIG. 1C, a flat bottom plate 111 made of a material having low thermal conductivity such as glass or resin is used as a lower flow path member, and the upper flow path member 112 is covered from above the bottom plate 111. It has been. The upper flow path member 112 is formed of a material having high thermal conductivity such as a metal or an alloy, and a plurality of ribs Lb11, LB12... Are uniformly formed in a direction perpendicular to the drawing on the lower surface in FIG. It is provided with a “groove having a rectangular cross section” between adjacent ribs.

これら複数のリブのうちで、図1(c)の左右両端のリブLb10、Lb20は他のリブよりも高さが高く。従って、被せられた上流路部材112は、リブLb10、Lb20の先端部が底板111に当接し、この当接部において、接着等の手段により互いに一体化されている。従って、流路部材110内部には「下面(底板111の上面)が共通して通底し、上部がリブLb11、Lb12・・により分離された単一の流路」が、図面に直交する方向へ一様な断面形状で貫通している。   Among these ribs, the ribs Lb10 and Lb20 at the left and right ends in FIG. 1C are higher than the other ribs. Accordingly, the covered upper flow path member 112 is in contact with the bottom plate 111 at the tip ends of the ribs Lb10 and Lb20, and is integrated with each other by means such as adhesion. Therefore, the “lower surface (upper surface of the bottom plate 111) passes through the bottom in common, and the upper portion is separated by the ribs Lb11, Lb12,... It penetrates with a uniform cross-sectional shape.

この流路内において、液40の上面は、リブLb11、Lb12・・の先端部に接している。このため、液40には、リブLb11、Lb12・・で分離された自由表面40Aが形成されている。   In this flow path, the upper surface of the liquid 40 is in contact with the tips of the ribs Lb11, Lb12,. For this reason, the free surface 40A separated by the ribs Lb11, Lb12,.

図1(c)の流路部材の変形例として、リブLb11、lb12・・の高さを若干高くして、これらのリブLb11、Lb12・・の先端部が、液40の中へ若干浸漬するようにしてもよい。あるいは、これとは反対に、リブLB11、Lb12・・の高さを小さくして、リブLb11等の先端が液40の自由表面に近接して臨むようにしてもよい。この場合の極限として、リブLb11等の高さを0とすれば、流路の断面形状は単一の横長長方形形状になる。   As a modification of the flow path member in FIG. 1 (c), the ribs Lb11, lb12,... You may do it. Alternatively, on the contrary, the heights of the ribs LB11, Lb12,... May be reduced so that the tips of the ribs Lb11 and the like face the free surface of the liquid 40. As the limit in this case, if the height of the ribs Lb11 and the like is set to 0, the cross-sectional shape of the flow path becomes a single horizontally long rectangular shape.

また、図1(b)、(c)には、下流路部材と上流路部材とを別材料として、これらを組合せ一体として流路部材としたが、図1(b)、(c)や上に説明した各種の断面形状の流路を、単一材料に穿設した構成とすることもできる。   Further, in FIGS. 1B and 1C, the lower flow path member and the upper flow path member are made of different materials, and these are combined into a flow path member. However, FIGS. It is also possible to adopt a configuration in which the flow paths having various cross-sectional shapes described in 1 are formed in a single material.

図1(a)における流路部材10として、同図(b)の流路部材100や同図(c)の流路部材110を用いることができることは言うまでも無い。
流路部材における流路断面の大きさや、流路数について付言すると、図1(b)(c)に示された例では流路数を4として描いてあるが、これは説明上の例であり、流路数には特に制限は無く、具体的なマイクロポンプの仕様に従って、流路数は1から数百、あるいは数千あるいはそれ以上に設定できる。流路断面の大きさも「形成される液自由表面に有効に液を駆動できる温度差マランゴニ効果を発生できる」という条件を満足する限りにおいて任意である。前述の非特許文献2は「幅:100μmの流路」を開示している。
Needless to say, the flow path member 100 in FIG. 1B or the flow path member 110 in FIG. 1C can be used as the flow path member 10 in FIG.
In the example shown in FIGS. 1B and 1C, the number of channels is drawn as four in the example shown in FIGS. 1B and 1C, and this is an explanatory example. There is no particular limitation on the number of flow paths, and the number of flow paths can be set from 1 to several hundreds, or thousands or more, according to the specifications of a specific micropump. The size of the cross section of the flow path is also arbitrary as long as the condition that “the temperature difference Marangoni effect capable of driving the liquid effectively on the formed liquid free surface can be generated” is satisfied. Non-Patent Document 2 described above discloses “width: channel of 100 μm”.

先にのべたように、面積力としての「温度差マランゴニ効果」は、作用領域が小さくなるほど支配的となり有効に作用するので、この点を考えると、流路幅としては数μm〜数mm程度の広い領域で適宜に設定可能である。   As described above, the “temperature difference Marangoni effect” as an area force becomes more dominant and effective as the action region becomes smaller. Considering this point, the flow path width is about several μm to several mm. Can be set as appropriate over a wide area.

図1(a)に戻って、流路部材10に対してヒータ20による加熱と冷却手段30による冷却とを行って、流路部材10に液入口側から液出口側ヘ向かって温度が単調に減少する温度勾配を形成すると、加熱により高温となった部分からは熱がリブや流路側壁を介して液40に伝達され、液40にも流路の液入口11側から液出口12側へ向かって減少する温度勾配が生じ、自由表面40Aにも「流路に沿った表面温度の勾配」が生じる。
良く知られたように、液体表面の表面張力は液表面温度により変化し、表面温度が高いほど表面張力は小さくなる。
流路部材10の流路10A内において、液40の自由表面40Aの温度が上記の如く液入口側から液出口側へ向かって低くなると、自由表面40Aにおける表面張力は、液出口側において大きく、液入口側において小さくなる。このため、自由表面40Aは「より表面張力の大きい液出口側」に向かって引っ張られ、この引張り力により表面流れが発生する。このように発生した表面流れは、液40の粘性により表面下側の液部分を引っ張り、やがて「液40の深さ方向に速度勾配を持つ定常な流れ」が発生する。
Returning to FIG. 1A, the flow path member 10 is heated by the heater 20 and cooled by the cooling means 30, and the temperature of the flow path member 10 is monotonically from the liquid inlet side to the liquid outlet side. When a decreasing temperature gradient is formed, heat is transmitted to the liquid 40 from the portion heated to high temperature by heating through the ribs and the side wall of the flow path, and the liquid 40 also flows from the liquid inlet 11 side to the liquid outlet 12 side of the flow path. A temperature gradient that decreases toward the surface is generated, and a “surface temperature gradient along the flow path” also occurs on the free surface 40A.
As is well known, the surface tension of the liquid surface varies with the liquid surface temperature, and the higher the surface temperature, the smaller the surface tension.
In the flow path 10A of the flow path member 10, when the temperature of the free surface 40A of the liquid 40 decreases from the liquid inlet side to the liquid outlet side as described above, the surface tension on the free surface 40A is large on the liquid outlet side, It becomes smaller on the liquid inlet side. For this reason, the free surface 40A is pulled toward the “liquid outlet side having a larger surface tension”, and a surface flow is generated by this tensile force. The surface flow thus generated pulls the liquid portion below the surface due to the viscosity of the liquid 40, and eventually "a steady flow having a velocity gradient in the depth direction of the liquid 40" is generated.

以上が「温度差マランゴニ効果による液流」の定性的な説明である。なお、図1(a)において、流路10A内に流入する液40は、流通通路50内でヒータ20により予熱されているので、入口部での局所的な逆流が防止される。   The above is a qualitative explanation of “liquid flow due to temperature difference Marangoni effect”. In FIG. 1A, since the liquid 40 flowing into the flow path 10A is preheated by the heater 20 in the flow passage 50, local backflow at the inlet is prevented.

発明者らは、図1(a)に示す如きマイクロポンプの流路部材10として、図1(b)に示す流路部材100と、同図(c)に示す流路部材110とを用いる場合とをモデル化し、シミュレーションにより液流の性質を調べた。以下、これを説明する。なお、以下において、流路部材として図1(b)の流路部材100を用いる場合を「システム1」、図1(c)の流路部材110を用いる場合を「システム2」と言う。   The inventors use the flow path member 100 shown in FIG. 1 (b) and the flow path member 110 shown in FIG. 1 (c) as the flow path member 10 of the micro pump as shown in FIG. 1 (a). And the properties of the liquid flow were investigated by simulation. This will be described below. In the following, the case where the flow path member 100 of FIG. 1B is used as the flow path member is referred to as “system 1”, and the case where the flow path member 110 of FIG. 1C is used is referred to as “system 2”.

図2(a)は、上記システム1における流路部材100のシミュレーションモデルであり、符号LBは、図1(b)における隣接する2つのリブLb1、Lb2等をモデル化したものであり、間隔:1mmで配置され、図に示す下端部は底板の表面に当接している。底板表面は断熱面とした。また、流路内における底板表面と液40の自由表面との間隔:hを1mmとした。   FIG. 2A is a simulation model of the flow path member 100 in the system 1, and the symbol LB is a model of the two adjacent ribs Lb1, Lb2 and the like in FIG. The lower end shown in the figure is in contact with the surface of the bottom plate. The bottom plate surface was a heat insulating surface. In addition, the distance h between the bottom plate surface and the free surface of the liquid 40 in the flow path was set to 1 mm.

図2(b)は、上記システム2における流路部材110のシミュレーションモデルであり、符号LB1は、図1(c)における隣接する2つのリブLb1、Lb2等をモデル化したものであり、間隔:1mmで配置され、下端部は液表面に当接している。底板表面は断熱面とした。また、流路内における底板表面と液40の自由表面との間隔:hを1mmとした。
シミュレーションに当たって「液はリブ表面・流路底面に対しては滑らない」ものとした。
FIG. 2B is a simulation model of the flow path member 110 in the system 2, and reference numeral LB1 is a model of the two adjacent ribs Lb1, Lb2, etc. in FIG. It is arranged at 1 mm, and the lower end is in contact with the liquid surface. The bottom plate surface was a heat insulating surface. In addition, the distance h between the bottom plate surface and the free surface of the liquid 40 in the flow path was set to 1 mm.
In the simulation, it was assumed that “the liquid does not slide against the rib surface / flow channel bottom”.

液に対する「支配方程式」としては「連続の式、ナビエ・ストークスの方程式、エネルギ方程式」を用いた。「液」としては「2cStシリコーンオイル」を想定し、リブLB、LB1としては「黄銅」を想定し、これらの物性値を用いた。また、流路内の液の自由表面は空気に接しているものとした。   As the “dominance equation” for the liquid, “continuity equation, Navier-Stokes equation, energy equation” was used. As the “liquid”, “2cSt silicone oil” was assumed, and as the ribs LB and LB1, “brass” was assumed, and these physical property values were used. In addition, the free surface of the liquid in the channel is in contact with air.

温度差マランゴニ効果を特徴づける「マランゴニ数:Ma」は、液(説明中の例で2cStシリコーンオイルである。)の表面張力温度係数:γ、温度伝導率:k、粘性係数:μ、温度勾配:dT/dx(xは流路に沿う方向で流れの向きを正とする。)、駆動される液の代表長さ:h(流路の底面と自由表面との距離とした。)により、
Ma={γ/(μk)}|dT/dx|h
で定義される。
“Marangoni number: Ma” characterizing the temperature difference Marangoni effect is the surface tension temperature coefficient of the liquid (in the example being described, 2cSt silicone oil): γ, temperature conductivity: k, viscosity coefficient: μ, temperature gradient : DT / dx (x is the direction along the flow path and the flow direction is positive), and the typical length of the driven liquid is h (the distance between the bottom surface of the flow path and the free surface).
Ma = {γ / (μk)} | dT / dx | h 2
Defined by

即ち、マランゴニ数:Maは、温度勾配、表面張力温度係数が大きいほど大きく、粘性係数、温度伝導率が大きいほど小さくなる。
シミュレーションモデルの流路を流れる液流の代表流量:Qを、
={γ/μ}|dT/dx|h
で定義する。即ち、代表流量は、マランゴニ数:Maと
=Ma・kh
の関係にある。
That is, the Marangoni number: Ma increases as the temperature gradient and the surface tension temperature coefficient increase, and decreases as the viscosity coefficient and temperature conductivity increase.
Typical flow rate of liquid flow through the flow path of the simulation model: Q 0
Q 0 = {γ / μ} | dT / dx | h 3
Define in. That is, the representative flow rate is Marangoni number: Ma and Q 0 = Ma · kh
Are in a relationship.

また、実際の流量をQとし、この流量:Qと代表流量:Qとの比を比流量:Q’(=Q/Q)と呼ぶ。
図2(c)に、比流量(縦軸)とマランゴニ数(横軸)の関係を示す。
符号S1で示すのがシステム1に関するものであり、符号S2で示すのがシステム2に関するものである。
The actual flow rate is Q, and the ratio between this flow rate: Q and the representative flow rate: Q 0 is called the specific flow rate: Q ′ (= Q / Q 0 ).
FIG. 2C shows the relationship between the specific flow rate (vertical axis) and the Marangoni number (horizontal axis).
Reference numeral S1 indicates the system 1 and reference numeral S2 indicates the system 2.

システム1では比流量は、マランゴニ数の広い変化領域において安定しているが、実際の流量は代表流量の40%弱である。これに対し、システム2では実際の流量は、代表流量の80%以上である。   In the system 1, the specific flow rate is stable in a wide change region of Marangoni number, but the actual flow rate is less than 40% of the representative flow rate. On the other hand, in the system 2, the actual flow rate is 80% or more of the representative flow rate.

図2(c)において、同じマランゴニ数に対する非流量を対比すると、システム2は、システム1に対して略2倍近い大きさを有している。代表流量:Qは、上記の如く、マランゴニ数:Maと代表長さ:hと温度伝導率:kの積であり、システム1とシステム2においてkとhとは互いに等しい。従って、システム1、2においてマランゴニ数を同一とした場合には、代表流量はシステム1とシステム2とで同一である。 In FIG. 2C, when comparing the non-flow rate with respect to the same Marangoni number, the system 2 has a size almost twice as large as that of the system 1. As described above, the representative flow rate: Q 0 is the product of the Marangoni number: Ma, the representative length: h, and the temperature conductivity: k. In the system 1 and the system 2, k and h are equal to each other. Therefore, when the Marangoni numbers are the same in the systems 1 and 2, the representative flow rates are the same in the system 1 and the system 2.

このことから、図2(c)では、同じマランゴニ数に対しての実際の流量が、システム2においてシステム1の2倍程度大きいことを意味している。
システム1とシステム2とを比較すると、システム1ではシステム2に比して、液40とリブとの接触面積が大きい、このため、リブと液40との接触面における粘性抵抗がシステム2ではシステム1に比して小さいと考えられ、これが一因となって、システム1とシステム2とに、実際の流量:Qの大小が生じるものと発明者らは考えている。
From this, in FIG. 2C, it is meant that the actual flow rate for the same Marangoni number is about twice as large as that of the system 1 in the system 2.
Comparing the system 1 and the system 2, the contact area between the liquid 40 and the rib is larger in the system 1 than in the system 2. Therefore, the viscous resistance at the contact surface between the rib and the liquid 40 is increased in the system 2. The inventors consider that the magnitude of the actual flow rate: Q is generated in the system 1 and the system 2 due to this.

図2(d)は、実際の流量(縦軸)と温度勾配(K/m)の関係を示す。
符号S1で示すのがシステム1に関するものであり、符号S2で示すのがシステム2に関するものである。
FIG. 2D shows the relationship between the actual flow rate (vertical axis) and the temperature gradient (K / m).
Reference numeral S1 indicates the system 1 and reference numeral S2 indicates the system 2.

この図から、システム1、2とも、温度勾配の増加とともに、実際の流量:Qが殆ど直線的に増加することが分る。
即ち、流路部材に形成する温度勾配を制御することにより、流路を流れる流量を制御できる。これは主として、マランゴニ数が温度勾配に比例して大きくなることによる。図2(d)において、システム1の関係の傾きに対してシステム2における傾きが大きいのは、システム2のほうがシステム1よりも比流量が大きいことに対応している。
From this figure, it can be seen that in both systems 1 and 2, the actual flow rate: Q increases almost linearly as the temperature gradient increases.
That is, by controlling the temperature gradient formed in the flow path member, the flow rate flowing through the flow path can be controlled. This is mainly because the Marangoni number increases in proportion to the temperature gradient. In FIG. 2D, the fact that the inclination in the system 2 is larger than the inclination of the relationship of the system 1 corresponds to that the specific flow rate in the system 2 is larger than that in the system 1.

また、システム1において、定常状態における液表面温度分布と、自由表面における流線の様子を調べた。図3(a)に、3個の等温線と8個の流線を示す。図3(a)において、x方向は流路方向、Z方向は自由表面に平行でx方向に直交する方向である。   Further, in the system 1, the liquid surface temperature distribution in the steady state and the state of streamlines on the free surface were examined. FIG. 3A shows three isotherms and eight streamlines. In FIG. 3A, the x direction is the flow path direction, and the Z direction is parallel to the free surface and perpendicular to the x direction.

符号T1、T2、T3で示す曲線は等温線であり、T1、T2、T3の順に温度が低くなっている。図に示されているのは流路の略中央部の領域であり、図の如く、Z方向の中央部で温度が高く、Z方向の両端部で温度が低下している。液は流路の液入口側で流路部材(リブ)により加熱されるので、液入口側ではリブの部分(Z方向の両端部)で高温になるが、液流が生じて流路方向に流れるに従い、次第にリブの「温度の低い部分」に接触して温度が下がるので、流路中央領域では図3(a)のような、Z方向の中央部の温度がZ方向の両端部に比して高温となる「表面温度分布」を生成するのである。
図3(a)において、符号SL11〜SL14、SL21〜SL24で示す曲線は、流線であり、これら流線は等温線に対して直交する。
図3(a)の等温線の様子からも分るように、温度勾配はx方向とともにz方向にも生じているため、流線SL11、SL12、SL13、SL21、SL22、SL23のように、Z方向の両端部(リブの位置)へ向かう表面流れが生じるが、同時に、流線SL14、SL24のようにx方向(流路方向)に向かう表面流れも生じる。また、各流線ともx方向の成分があり、従って、液自由表面では「全体としてx方向への表面流れ」が生じることになる。
Curves indicated by reference signs T1, T2, and T3 are isotherms, and the temperature decreases in the order of T1, T2, and T3. What is shown in the figure is a region at a substantially central part of the flow path, and as shown in the figure, the temperature is high at the central part in the Z direction, and the temperature is low at both end parts in the Z direction. Since the liquid is heated by the flow path member (rib) on the liquid inlet side of the flow path, the temperature rises at the rib portions (both ends in the Z direction) on the liquid inlet side. As it flows, the temperature gradually decreases in contact with the “low temperature portion” of the rib, so in the central region of the flow path, the temperature at the central portion in the Z direction is higher than that at both ends in the Z direction as shown in FIG. As a result, a “surface temperature distribution” that is high in temperature is generated.
In Fig.3 (a), the curve shown by code | symbol SL11-SL14, SL21-SL24 is a streamline, and these streamlines are orthogonal to an isotherm.
As can be seen from the state of the isotherm in FIG. 3A, the temperature gradient is generated in the z direction as well as the x direction. Therefore, as in the streamlines SL11, SL12, SL13, SL21, SL22, SL23, Z A surface flow toward both ends (rib positions) of the direction is generated, but at the same time, a surface flow toward the x direction (flow path direction) is also generated like the flow lines SL14 and SL24. In addition, each stream line has a component in the x direction. Therefore, a “surface flow in the x direction as a whole” occurs on the liquid free surface.

また、流れが安定している状態において「流路方向に直交する断面内における流線の状態」を調べたところ図3(b)の如くになった。即ち、液は、Z方向における中央部(Z=0.5)の位置を対称面として、回転するように流れている。これは、図3(a)における流線SL11、SL12やSL21、SL22のような、Z方向の中央部からZ方向の両端部へ向かう表面流れに起因する対流である。   In addition, when “the state of streamlines in a cross section perpendicular to the flow path direction” was examined in a state where the flow was stable, it was as shown in FIG. That is, the liquid flows so as to rotate with the position of the central portion (Z = 0.5) in the Z direction as a symmetry plane. This is a convection caused by a surface flow from the central portion in the Z direction toward both ends in the Z direction, such as the streamlines SL11, SL12, SL21, and SL22 in FIG.

従って、流路内における液の全体としての流れは、図3(c)に示すように「互いに鏡面対称な螺旋状の流れを生じ、全体として流路方向へ流れている」ことがわかる。   Therefore, it can be seen that the flow of the liquid in the flow path as a whole is "a spiral flow that is mirror-symmetrical to each other and flows in the flow path direction as a whole" as shown in FIG.

なお、シミュレーションの結果、マランゴニ数が大きくなりすぎると流れの定常性が失われ、振動流が発生することが認められた。即ち、流れに直交する任意の断面において、流速が時間的に規則正しい周期・振幅で振動するのである。マイクロポンプにおける液流は定常であることが望ましく、この観点からすると、振動流はマイクロポンプの安定性を損なうものである。   As a result of the simulation, it was found that if the Marangoni number becomes too large, the steadiness of the flow is lost and the oscillating flow is generated. In other words, the flow velocity oscillates with a periodic period and amplitude in an arbitrary cross section perpendicular to the flow. The liquid flow in the micropump is preferably steady, and from this point of view, the oscillating flow impairs the stability of the micropump.

定常な流れから振動流への変化にはマランゴニ数が関係しており、この関係は「層流から乱流への変化にレイノルズ数が関係する」のに類似している。因みに、定常な流れ(前述の螺旋状の流れ)から振動流に変化するときの臨界マランゴニ数は、システム1においてMa=2000〜2500の間にあり、システム2の場合ではMa=800〜1000の間にあることが確認された。従って、このような臨界マランゴニ数は「流通させる液種により、安定に動作させ得る温度勾配の上限」を与えるものと考えられる。   The Marangoni number is related to the change from steady flow to oscillating flow, and this relationship is similar to “Reynolds number is related to change from laminar flow to turbulent flow”. Incidentally, the critical Marangoni number when changing from a steady flow (the aforementioned spiral flow) to an oscillating flow is between Ma = 2000 and 2500 in the system 1, and in the case of the system 2, Ma = 800 to 1000. It was confirmed to be in between. Therefore, such a critical Marangoni number is considered to give "the upper limit of the temperature gradient that can be stably operated depending on the liquid type to be circulated".

次に、システム2のモデルを「シミュレーションと同じ条件」で実際に装置として作製し、液40として2cSTシリコーンオイルを用い、以下の条件で、流路におけるy方向(液の深さ方向)における速度の変化を測定した。なお、底板の部分は断熱材であるベークライトにより構成した。   Next, the system 2 model is actually manufactured as an apparatus under the “same conditions as in the simulation”, 2cST silicone oil is used as the liquid 40, and the velocity in the y direction (the depth direction of the liquid) in the flow path is as follows. The change of was measured. In addition, the part of the baseplate was comprised with the bakelite which is a heat insulating material.

流路部材であるリブのx方向の温度勾配:−258.7K/m、マランゴニ数:Ma=149.3であり、流速を測定するための追跡粒子としては:SBX−17を用いた。   The temperature gradient in the x direction of the rib as the flow path member: −258.7 K / m, Marangoni number: Ma = 149.3, and SBX-17 was used as tracking particles for measuring the flow velocity.

液流の安定している部分において、xy断面をz=0.5mm(流路の幅方向中央)に設定し、x方向の流速をyに対して求めた。   In a portion where the liquid flow is stable, the xy cross section was set to z = 0.5 mm (center in the width direction of the flow path), and the flow velocity in the x direction was obtained with respect to y.

結果を図4に示す。縦軸はy、横軸はx方向の流速である。シミュレーションと同様、y=0の底板表面では流速:0であり、yの増加とともに流速が増大して自由表面位置で0.0025m/Sec(2.5mm/Sec)となった。曲線はシミュレーションによる計算値、黒丸は測定値である。測定結果が、計算値と良く一致していることが分る。この図から、流速の変化は、yとともに略直線的に増加すると考えても大きな誤差は生じない。このような近似で計算すると、液流の断面は幅:1mm、深さ=1mmであり、流速はy方向に0から最大2.5mm/Secであるから、流路あたり毎秒略1.25mmの流量が得られる。 The results are shown in FIG. The vertical axis is y, and the horizontal axis is the flow velocity in the x direction. Similar to the simulation, the flow velocity was 0 on the bottom plate surface where y = 0, and the flow velocity increased with increasing y to 0.0025 m / Sec (2.5 mm / Sec) at the free surface position. The curve is the calculated value by simulation, and the black circle is the measured value. It can be seen that the measurement results are in good agreement with the calculated values. From this figure, even if it is considered that the change in the flow velocity increases substantially linearly with y, no large error occurs. When calculated with such an approximation, the cross section of the liquid flow is 1 mm in width and 1 mm in depth, and the flow velocity is 0 to 2.5 mm / Sec in the y direction, so approximately 1.25 mm 3 per second per flow channel. Is obtained.

マイクロポンプの実施の1形態を説明するための図である。It is a figure for demonstrating one Embodiment of a micropump. 図1のマイクロポンプのシミュレーションモデルとシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation model and simulation result of the micropump of FIG. シミュレーションにより得られた流れを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the flow obtained by simulation. 実際に計測された流路内の液流の速度分布を示す図である。It is a figure which shows the velocity distribution of the liquid flow in the flow path actually measured.

符号の説明Explanation of symbols

10 流路部材
10A 流路
11 液入口
12 液出口
20 ヒータ
30 冷却手段
40 液
40A 液40の自由表面
100 流路部材
110 流路部材
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Flow path member 10A Flow path 11 Liquid inlet 12 Liquid outlet 20 Heater 30 Cooling means 40 Liquid 40A Free surface of liquid 40 100 Flow path member 110 Flow path member

Claims (16)

温度差マランゴニ効果を利用して液流を生成するマイクロポンプであって、
液を供給される液入口と上記液を送出する液出口とを有し、上記液入口から供給される液が上記液出口に向かって流れる1以上の流路を有する流路部材と、
この流路部材に、上記流路に沿って、上記液入口側から液出口側へ向かって、温度が単調に減少する温度勾配を形成する温度勾配形成手段とを有し、
上記流路部材は、この流路部材に流通される液に対して、上記液入口から液出口に至る流路に沿って連続した、流路方向に単一の自由表面が形成されるように構成されていることを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
A micropump that generates a liquid flow using the temperature difference Marangoni effect,
A flow path member having a liquid inlet for supplying a liquid and a liquid outlet for delivering the liquid, and having one or more flow paths through which the liquid supplied from the liquid inlet flows toward the liquid outlet;
The flow path member has temperature gradient forming means for forming a temperature gradient in which the temperature monotonously decreases from the liquid inlet side toward the liquid outlet side along the flow path,
The flow path member is formed so that a single free surface is formed in the flow path direction continuous with the liquid flowing through the flow path member along the flow path from the liquid inlet to the liquid outlet. A micropump using the temperature difference Marangoni effect characterized by being configured.
請求項1記載のマイクロポンプにおいて、
流路部材が、液入口側から液出口側へ1以上の流路を貫通された構造のものであることを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to claim 1, wherein
A micropump using a temperature difference Marangoni effect, wherein the flow path member has a structure in which one or more flow paths are penetrated from the liquid inlet side to the liquid outlet side.
請求項2記載のマイクロポンプにおいて、
流路部材は、液入口側から液出口側へ向かって2以上の流路が隔設されているものであることことを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to claim 2, wherein
2. The micropump using the temperature difference Marangoni effect, wherein the flow path member has two or more flow paths separated from the liquid inlet side toward the liquid outlet side.
請求項2記載のマイクロポンプにおいて、
流路部材は、流路上方側から流路底部に向かって突出する1以上のリブが、流路方向と並行に形成されているものであることを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to claim 2, wherein
The flow path member is characterized in that one or more ribs protruding from the upper side of the flow path toward the flow path bottom are formed in parallel with the flow path direction. pump.
請求項4記載のマイクロポンプにおいて、
流路部材の流路上方側から流路底部に向かって突出する1以上のリブが流路底部に当接することを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to claim 4, wherein
A micro pump using a temperature difference Marangoni effect, wherein one or more ribs projecting from a channel upper side of a channel member toward a channel bottom are in contact with the channel bottom.
請求項4記載のマイクロポンプにおいて、
流路部材の流路上方側から流路底部に向かって突出する1以上のリブの先端部が、流路内を流れる液中に浸漬されることを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to claim 4, wherein
A micro-device utilizing the temperature difference Marangoni effect, wherein the tip of one or more ribs protruding from the upper side of the flow channel toward the bottom of the flow channel is immersed in the liquid flowing in the flow channel pump.
請求項4記載のマイクロポンプにおいて、
流路部材の流路上方側から流路底部に向かって突出する1以上のリブの先端部が、流路内を流れる液の液面に当接することを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to claim 4, wherein
Utilizing the temperature difference Marangoni effect, wherein the tip of one or more ribs protruding from the upper side of the channel member toward the bottom of the channel is in contact with the liquid level of the liquid flowing in the channel Micro pump.
請求項2〜7の任意の1に記載のマイクロポンプにおいて、
流路部材が単一材料による一体構造であることを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to any one of claims 2 to 7,
A micropump using a temperature difference Marangoni effect, characterized in that the flow path member is an integral structure made of a single material.
請求項2〜7の任意の1に記載のマイクロポンプにおいて、
流路部材が、上流路部材と下流路部材とを上下に組合せて構成されていることを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to any one of claims 2 to 7,
A micropump using a temperature difference Marangoni effect, characterized in that the flow path member is configured by combining an upper flow path member and a lower flow path member vertically.
請求項9記載のマイクロポンプにおいて、
上流路部材が、流路上方側から流路底部に向かって突出する1以上のリブを有することを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to claim 9, wherein
A micropump using a temperature difference Marangoni effect, wherein the upper flow path member has one or more ribs protruding from the upper side of the flow path toward the flow path bottom.
請求項9または10記載のマイクロポンプにおいて、
温度勾配形成手段は、上流路部材に対して加熱・冷却を行い、上記上流路部材が熱伝導性の高い材料で構成されていることを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to claim 9 or 10,
The micropump using the temperature difference Marangoni effect, wherein the temperature gradient forming means heats and cools the upper flow path member, and the upper flow path member is made of a material having high thermal conductivity.
請求項1〜11の任意の1に記載のマイクロポンプにおいて、
温度勾配形成手段が、流入口側を過熱するヒータを少なくとも有することを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to any one of claims 1 to 11,
The micropump using the temperature difference Marangoni effect, characterized in that the temperature gradient forming means has at least a heater for heating the inlet side.
請求項1〜12の任意の1に記載のマイクロポンプにおいて、
温度勾配形成手段が、流出口側を冷却する冷却手段を有することを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to any one of claims 1 to 12,
The micropump using the temperature difference Marangoni effect, characterized in that the temperature gradient forming means has a cooling means for cooling the outlet side.
請求項13記載のマイクロポンプにおいて、
冷却手段としてペルチエ素子を用いることを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to claim 13, wherein
A micropump using a temperature difference Marangoni effect characterized by using a Peltier element as a cooling means.
請求項14記載のマイクロポンプにおいて、
ペルチエ素子の放熱側に発生する熱を液入口側に導熱する導熱部材を有し、上記ペルチエ素子と導熱部材をヒータの少なくとも一部として用いることを特徴とする温度差マランゴニ効果を利用したマイクロポンプ。
The micropump according to claim 14, wherein
A micropump using a temperature difference Marangoni effect, comprising a heat conducting member for conducting heat generated on the heat radiation side of the Peltier element to the liquid inlet side, wherein the Peltier element and the heat conducting member are used as at least a part of a heater. .
請求項1〜15の任意の1に記載のマイクロポンプを用いて、液流を生成する液流生成方法。   The liquid flow production | generation method which produces | generates a liquid flow using the micropump of any one of Claims 1-15.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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