JP2009216141A - Fluid diode, pump, and molecule detecting sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流路において流体の流れる方向を制限する流体ダイオード、およびそれを用いたポンプ、分子検出センサに関する。 The present invention relates to a fluid diode that restricts the direction of fluid flow in a flow path, a pump using the fluid diode, and a molecular detection sensor.
流路において、流体を一方向に流すための手段としては、いわゆる１ＷＡＹバルブのようにメカニカルな機構を有したものの他、流路内を流体が通過する方向によって流動抵抗が変化する構造により、整流効果を得る流体ダイオードとして、例えばＴｅｓｌａバルブと称されるもの等が存在する（例えば、特許文献１、非特許文献１参照。）。 As a means for flowing the fluid in one direction in the flow path, in addition to a mechanism having a mechanical mechanism such as a so-called 1WAY valve, the flow resistance changes depending on the direction in which the fluid passes through the flow path. As a fluid diode that obtains an effect, for example, there is a so-called Tesla valve (see, for example, Patent Document 1 and Non-Patent Document 1).
近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などの微細加工技術の進展により、マイクロポンプと称される、極めて小さなポンプの開発も行われている。
これに伴い、マイクロポンプにおける、流入・吐出方向を制限するバルブあるいは流体ダイオードの開発も要求されている。これらのバルブや流体ダイオードは、当然のことながら極めて小型化する必要がある。これら現存するバルブや流体ダイオードを単に小型化したのでは、加工が困難であったり、流体の流れが現存するサイズのものとは異なって要求する整流効率が得られない、等の問題がある。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、小型でありながらも、容易に形成でき、しかも高い効率を得ることのできる流体ダイオード等を提供することを目的とする。
In recent years, with the progress of microfabrication technology such as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology, an extremely small pump called a micropump has been developed.
Along with this, the development of valves or fluid diodes that restrict the inflow / discharge direction of micropumps is also required. Of course, these valves and fluidic diodes need to be extremely small. If these existing valves and fluid diodes are simply reduced in size, there are problems such as difficulty in processing, and the required rectification efficiency cannot be obtained unlike the existing size of the fluid flow.
The present invention has been made based on such a technical problem, and an object of the present invention is to provide a fluid diode or the like that can be easily formed and can obtain high efficiency while being small in size.
かかる目的のもとになされた本発明の流体ダイオードは、一端から流体が導入される第一の室と、第一の室の他端において、第一の室の他端よりも小さな断面積のノズル部を介して第一の室に連通し、ノズル部側の一端から他端に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、を備えることを特徴とする。
このような流体ダイオードは、第二の室から第一の室に流体が流れ込むときに、ノズル部によって第一の室内で流体の流れが乱れ、流動抵抗が大きくなる。これにより、第一の室から第二の室に流体が流れるときと、第二の室から第一の室に流体が流れるときとでは、流量に差が生じる。流体の流動方向が、第一の室から第二の室に向かう方向と、第二の室から第一の室に向かう方向とで繰り返し切り替わると、前記の流量の差により、全体として流体の流れる方向を規制する流体ダイオードとして機能する。このとき、流体の流れは、全体として第一の室側から第二の室側に規制される。すなわち、このような流体ダイオードは、流体が脈動するような用途に用いるのに適している。
The fluidic diode of the present invention made for this purpose has a first chamber into which a fluid is introduced from one end, and the other end of the first chamber has a smaller cross-sectional area than the other end of the first chamber. And a tapered second chamber that communicates with the first chamber through the nozzle portion and whose cross-sectional area gradually increases from one end to the other end on the nozzle portion side.
In such a fluid diode, when the fluid flows from the second chamber into the first chamber, the flow of the fluid is disturbed in the first chamber by the nozzle portion, and the flow resistance increases. As a result, there is a difference in flow rate between when the fluid flows from the first chamber to the second chamber and when the fluid flows from the second chamber to the first chamber. When the flow direction of the fluid is repeatedly switched between the direction from the first chamber toward the second chamber and the direction from the second chamber toward the first chamber, the fluid flows as a whole due to the difference in flow rate. It functions as a fluid diode that regulates the direction. At this time, the flow of the fluid is restricted from the first chamber side to the second chamber side as a whole. That is, such a fluid diode is suitable for use in applications where fluid pulsates.
ここで、第二の室の他端において、第二の室の他端よりも小さな断面積のノズル部を介して第二の室に連通し、ノズル部側の一端から他端に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の他の第二の室を備えることも可能である。つまり、第二の室と同様の形状を有した他の第二の室を、第二の室に連続して設けるのである。さらに、第二の室は、３段以上の多段に設けても良い。 Here, at the other end of the second chamber, the second chamber communicates with the second chamber via a nozzle section having a smaller cross-sectional area than the other end of the second chamber, and the nozzle portion is directed from one end to the other end. It is also possible to provide another second chamber with a taper whose cross-sectional area gradually increases. That is, another second chamber having the same shape as the second chamber is continuously provided in the second chamber. Furthermore, the second chamber may be provided in multiple stages of three or more stages.
第二の室のノズル部は、第一の室の幅方向中心に対し、一方の側にオフセットして設けるのが好ましい。ノズル部をオフセットすると、第二の室から第一の室に向けて流体が流れるとき、第一の室内で流体の流れが乱れる。
第二の室に連続して他の第二の室を設ける場合、第二の室のノズル部は、第一の室の幅方向中心に対し、一方の側にオフセットして設け、他の第二の室のノズル部は、第二の室の幅方向中心に対し、他方の側にオフセットして設けるのが好ましい。つまり、複数段に設ける第二の室において、互いに前後する第二の室で、ノズル部は互いに異なる方向にオフセットさせる。これにより、第二の室から第一の室に向かう方向に流体が流れるとき、他の第二の室から第二の室に流れ込んだ流体は、第二の室内で流れが乱れ、第二の室から第一の室に向けて流体が流れるとき、第一の室内で流体の流れが逆方向に乱れる。これによって、流動抵抗をさらに大きくすることができる。
The nozzle portion of the second chamber is preferably provided offset to one side with respect to the center in the width direction of the first chamber. When the nozzle portion is offset, when the fluid flows from the second chamber toward the first chamber, the fluid flow is disturbed in the first chamber.
When another second chamber is provided continuously to the second chamber, the nozzle portion of the second chamber is provided offset to one side with respect to the center in the width direction of the first chamber, and the other second chamber is provided. The nozzle portion of the second chamber is preferably provided offset to the other side with respect to the center in the width direction of the second chamber. That is, in the second chambers provided in a plurality of stages, the nozzle portions are offset in different directions in the second chambers that are front and rear. Thereby, when the fluid flows in the direction from the second chamber toward the first chamber, the fluid flowing into the second chamber from the other second chamber is disturbed in the second chamber, and the second chamber When the fluid flows from the chamber toward the first chamber, the fluid flow is disturbed in the reverse direction in the first chamber. Thereby, the flow resistance can be further increased.
第二の室のノズル部は、第一の室の幅方向中心に設けることもできる。ただしこの場合、第一の室側と第二の室側との圧力差が、予め定められた範囲内となるように用いられる。第一の室側と第二の室側との圧力差が小さいと、第二の室から第一の室に向けて流体が流れるとき、第一の室の幅方向中心を直線的に流れ、第一の室内で流体の流れが乱れないために流動抵抗が増大せず、第一の室から第二の室に流体が流れるときと、第二の室から第一の室に流体が流れるときとでは、流量に差が生じにくい。また、第一の室側と第二の室側との圧力差が過大になると、第二の室から第一の室に向けて流体が流れるときに第一の室において流れが乱れるだけでなく、第一の室から第二の室に向けて流体が流れるときにも第二の室において流れが乱れ、流動抵抗が増大する。その結果、第一の室から第二の室に流体が流れるときと、第二の室から第一の室に流体が流れるときとでは、流量に差が生じにくい。したがって、第一の室から第二の室に流体が流れるときと、第二の室から第一の室に流体が流れるときとで、流量の差が大きくなるよう、第一の室側と第二の室側との圧力差が、予め定められた範囲内で用いる必要がある。このような第一の室側と第二の室側との圧力差の範囲は、各種条件によって変り得るので、予め実験等で定めるのが好ましい。 The nozzle part of the second chamber can also be provided at the center in the width direction of the first chamber. However, in this case, the pressure difference between the first chamber side and the second chamber side is used so as to be within a predetermined range. When the pressure difference between the first chamber side and the second chamber side is small, when the fluid flows from the second chamber toward the first chamber, it flows linearly at the center in the width direction of the first chamber, When the fluid flows from the first chamber to the second chamber, and when the fluid flows from the second chamber to the first chamber, the flow resistance does not increase because the fluid flow is not disturbed in the first chamber. With this, the difference in flow rate is less likely to occur. In addition, when the pressure difference between the first chamber side and the second chamber side becomes excessive, not only the flow is disturbed in the first chamber when the fluid flows from the second chamber toward the first chamber. When the fluid flows from the first chamber toward the second chamber, the flow is disturbed in the second chamber, and the flow resistance increases. As a result, there is little difference in flow rate between when the fluid flows from the first chamber to the second chamber and when the fluid flows from the second chamber to the first chamber. Therefore, when the fluid flows from the first chamber to the second chamber and when the fluid flows from the second chamber to the first chamber, the difference between the first chamber side and the second chamber is increased. The pressure difference between the two chambers must be used within a predetermined range. Since the range of the pressure difference between the first chamber side and the second chamber side can vary depending on various conditions, it is preferably determined in advance through experiments or the like.
このような流体ダイオードは、流体が液体である場合にも用いることが可能であるが、流体がガスであり、しかもガス状態のまま搬送される場合に用いるのが特に有効である。 Such a fluid diode can be used even when the fluid is a liquid, but it is particularly effective when the fluid is a gas and is transported in a gas state.
本発明の流体ダイオードは、様々な用途に用いることができるが、例えば以下のようなポンプに用いることができる。
このポンプは、固定状態で設けられ、流体の導入口と吐出口とを有したチャンバーと、導入口からチャンバー内に導入された流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、チャンバーの上流側と下流側の少なくとも一方に設けられ、体積変化発生部により流体に体積変化が生じたとき、導入口側から吐出口側に向かう方向に流体の流れ方向を規制するダイオード部と、を備え、ダイオード部は、流体の流れ方向上流側に設けられた第一の室と、第一の室に対して流体の流れ方向下流側に設けられて、第一の室よりも小さな断面積のノズル部を介して第一の室に連通し、ノズル部側から流体の流れ方向下流側に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、を備えることを特徴とする。
ここで、体積変化発生部は、いかなる構成のものを用いても良いが、チャンバー部が体積の変化しない固定状態であるため、チャンバー内の流体に対し、加熱・冷却を繰り返すことで流体を膨張・収縮させるのが好ましい。
このようなポンプは、可動部のないメカレスの構成とすることができる。その結果、基板上への実装が可能となるとともに、ＭＥＭＳ技術、半導体製造技術を適用することで、微細化、大量生産による低コストが可能となり、高い信頼性を得ることもできる。
なお、このようなポンプは、その用途を限定するものではない。
The fluidic diode of the present invention can be used for various applications, and can be used for the following pumps, for example.
This pump is provided in a fixed state, and has a chamber having a fluid inlet and outlet, a volume change generator for causing a volume change in the fluid introduced from the inlet into the chamber, and an upstream side of the chamber And a diode part that regulates the flow direction of the fluid in a direction from the inlet side toward the outlet side when a volume change occurs in the fluid by the volume change generating part. The portion is provided with a first chamber provided on the upstream side in the fluid flow direction, and a nozzle portion provided on the downstream side in the fluid flow direction with respect to the first chamber and having a smaller cross-sectional area than the first chamber. And a tapered second chamber whose cross-sectional area gradually increases from the nozzle portion side toward the downstream side in the fluid flow direction.
Here, the volume change generation unit may be of any configuration, but because the chamber is in a fixed state where the volume does not change, the fluid is expanded by repeatedly heating and cooling the fluid in the chamber. -It is preferable to contract.
Such a pump can have a mechanical-less configuration with no moving parts. As a result, mounting on a substrate becomes possible, and by applying MEMS technology and semiconductor manufacturing technology, miniaturization and low cost by mass production are possible, and high reliability can be obtained.
In addition, such a pump does not limit the use.
本発明は、以下のような分子検出センサにも適用できる。
すなわち、この分子検出センサは、外部から流体を吸い込み、流体を濃縮する濃縮ポンプと、濃縮ポンプで濃縮された流体に含まれる分子を吸着する吸着部と、吸着部で吸着した分子のうち特定種の分子の付着または吸着により振動特性が変化することで分子を認識する分子認識部と、分子認識部における振動の変化を検出することで、分子を検出する検出部と、を備える。そして、濃縮ポンプは、固定状態で設けられ、流体の導入口と吐出口とを有したチャンバーと、導入口からチャンバー内に導入された流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、チャンバーの上流側と下流側の少なくとも一方に設けられ、体積変化発生部により流体に体積変化が生じたとき、導入口側から吐出口側に向かう方向に流体の流れ方向を規制するダイオード部と、を備え、ダイオード部は、流体の流れ方向上流側に設けられた第一の室と、第一の室に対して流体の流れ方向下流側に設けられて、第一の室よりも小さな断面積のノズル部を介して第一の室に連通し、ノズル部側から流体の流れ方向下流側に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、を備えることを特徴とする。
ここで、少なくとも濃縮ポンプ、吸着部、分子認識部を基板上に一体に形成し、分子検出センサをチップ状とすることができ、小型化が可能となるとともに、ＭＥＭＳ技術、半導体製造技術を適用することで、微細化、大量生産による低コストが可能となる。
そして、濃縮ポンプで流体を濃縮することによって、分子検出センサの検出感度を向上させることが可能となる。このとき、濃縮ポンプを、可動部のないメカレスの構成とすることができ、基板上への実装が可能となるとともに、高い信頼性を得ることができる。
The present invention can also be applied to the following molecular detection sensors.
In other words, this molecular detection sensor includes a concentration pump that sucks fluid from outside and concentrates the fluid, an adsorption unit that adsorbs molecules contained in the fluid concentrated by the concentration pump, and a specific species of molecules adsorbed by the adsorption unit. A molecular recognition unit that recognizes a molecule by changing vibration characteristics due to adhesion or adsorption of the molecule, and a detection unit that detects a change in vibration in the molecular recognition unit. The concentration pump is provided in a fixed state, and includes a chamber having a fluid introduction port and a discharge port, a volume change generation unit that causes a volume change in the fluid introduced into the chamber from the introduction port, A diode portion that is provided on at least one of the upstream side and the downstream side and regulates the flow direction of the fluid in a direction from the inlet side toward the outlet side when a volume change occurs in the fluid by the volume change generation unit. The diode section is a first chamber provided upstream in the fluid flow direction, and a nozzle having a smaller cross-sectional area than the first chamber, provided downstream of the first chamber in the fluid flow direction. And a tapered second chamber whose cross-sectional area gradually increases from the nozzle portion side toward the downstream side in the fluid flow direction.
Here, at least the concentration pump, the adsorption unit, and the molecular recognition unit are integrally formed on the substrate, and the molecular detection sensor can be formed into a chip shape, which can be miniaturized and can be applied with MEMS technology and semiconductor manufacturing technology. By doing so, it is possible to reduce costs by miniaturization and mass production.
And it becomes possible to improve the detection sensitivity of a molecular detection sensor by concentrating a fluid with a concentration pump. At this time, the concentration pump can have a mechanical-less configuration with no moving parts, and can be mounted on a substrate and can have high reliability.
このような分子検出センサは、特定種の分子として、ガスや生体由来の分子、生活空間の浮遊分子、揮発性分子等を対象とすることで、例えば、爆発危険性や有害性のあるガス等の存在、あるいはその定量的な濃度を検出するガス検出センサとして用いることができる。このような分子検出センサは、ガス等を取り扱う施設、設備、装置等に設置され、ガスの漏れやガス量のコントロールに用いられる。また近年開発が盛んに行われている、燃料電池用の水素ステーションや、燃料電池を使用する車両や装置、機器等において、水素の漏れが無いか監視する用途にも、上記分子検出センサは適用できる。
これ以外にも、特定種の分子、あるいは特定の特性または特徴を有する複数種の分子を吸着することで、その吸着の有無あるいは吸着量を検出する分子検出センサは、例えば食物の鮮度や成分分析、快適空間を提供・維持するための環境制御、さらには、人体等、生体の状態検知等に用いることが考えられる。また、人体から出る様々な物質、呼気や腸内フローラの代謝成分等を高感度に検出することで、健康状態のモニタリング、疾患の簡易なスクリーニング、生活習慣性疾患の診断、感染症のモニタリング等といったことを行うことが可能になると考えられる。
また、グローバル認識と称される、特定の特徴を持った分子群や、同じ側鎖を持つ分子群等を検出することもできる。さらに、ガスに限らず、液体を対象とした場合にも本発明の分子検出センサにおいては同様の機能を発揮することができる。
また、本発明の分子検出センサは、その製品形態としても、従来の業務用のセンサに限らず、小型で安定な高感度な家庭用、個人用のセンサや、携帯性に優れる使い捨て型のセンサ等とすることも可能である。
Such molecular detection sensors target gases, biological molecules, living space floating molecules, volatile molecules, etc. as specific types of molecules, for example, explosive and harmful gases, etc. It can be used as a gas detection sensor for detecting the presence or the quantitative concentration thereof. Such a molecular detection sensor is installed in a facility, facility, apparatus or the like that handles gas or the like, and is used for controlling gas leakage or gas amount. In addition, the molecular detection sensor is also used for monitoring hydrogen leaks in hydrogen stations for fuel cells, vehicles, devices and equipment that use fuel cells, which have been actively developed in recent years. it can.
In addition to this, molecular detection sensors that detect the presence or amount of adsorption by adsorbing specific types of molecules, or multiple types of molecules with specific characteristics or characteristics, can be used, for example, for food freshness and component analysis. It can be considered to be used for environmental control for providing / maintaining a comfortable space, and for detecting the state of a living body such as a human body. In addition, by detecting various substances from the human body, exhaled breath and metabolic components of intestinal flora, etc. with high sensitivity, monitoring of health status, simple screening of diseases, diagnosis of lifestyle-related diseases, monitoring of infectious diseases, etc. It will be possible to do such things.
It is also possible to detect a group of molecules having specific characteristics or a group of molecules having the same side chain, which is called global recognition. Furthermore, the same function can be exhibited in the molecular detection sensor of the present invention not only for gas but also for liquid.
In addition, the molecular detection sensor of the present invention is not limited to a conventional business sensor, and is a small, stable, highly sensitive home and personal sensor, and a disposable sensor excellent in portability. Or the like.
本発明によれば、第一の室から第二の室に流体が流れるときと、第二の室から第一の室に流体が流れるときとでは、流量に差が生じる。流体の流動方向が、第一の室から第二の室に向かう方向と、第二の室から第一の室に向かう方向とで繰り返し切り替ると、前記の流量の差により、全体として流体の流れる方向を規制する流体ダイオードとして機能する。このような流体ダイオードは、形状が複雑ではないので加工が容易であり、また、小型化で効率の良いものとすることができる。
また、このような流体ダイオードを用い、ポンプや分子検出センサを構成すれば、従来に無い小型のポンプ、分子検出センサを実現できる。
According to the present invention, there is a difference in flow rate between when the fluid flows from the first chamber to the second chamber and when the fluid flows from the second chamber to the first chamber. When the flow direction of the fluid is repeatedly switched between the direction from the first chamber toward the second chamber and the direction from the second chamber toward the first chamber, the fluid flow as a whole is caused by the difference in flow rate. It functions as a fluid diode that regulates the flow direction. Such a fluid diode is not complicated in shape, so that it can be easily processed, and can be reduced in size and efficiency.
Further, if such a fluid diode is used to constitute a pump or a molecular detection sensor, an unprecedented small pump or molecular detection sensor can be realized.
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第一の実施の形態］
図１は、本実施の形態におけるセンサ（分子検出センサ）１０の構成を説明するための図である。
この図１に示すセンサ１０は、検知対象となる特定種の分子を吸着することで、ガス自体あるいはガスに含まれる特定物質や匂い等の存在（発生）の有無、あるいはその濃度の検出を行うものである。このセンサ１０は、周囲の雰囲気ガス（以下、単にガスと称する：流体）を吸い込むポンプ（濃縮ポンプ）２０と、ポンプ２０で吸い込んだガスを吸着する吸着部３０と、吸着部３０で吸着したガス中から、特定種のガス成分を分離するガスクロマトグラフィ部（分子量分析部）４０と、分離したガス成分中に含まれる特定種の分子を吸着し、その分子の吸着を検出するセンサ部（分子認識部）５０と、センサ部５０における検出レベルに基づき、特定種の分子の有無またはその量を測定する測定処理部（検出部）６０と、センサ１０の各部をコントロールする制御部７０と、を備えている。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the accompanying drawings.
[First embodiment]
FIG. 1 is a diagram for explaining the configuration of a sensor (molecule detection sensor) 10 according to the present embodiment.
The sensor 10 shown in FIG. 1 detects the presence (occurrence) or the concentration of a gas itself or a specific substance or odor contained in the gas by adsorbing a specific type of molecule to be detected. Is. The sensor 10 includes a pump (concentration pump) 20 that sucks in ambient gas (hereinafter simply referred to as “fluid”), an adsorption unit 30 that adsorbs gas sucked by the pump 20, and a gas that is adsorbed by the adsorption unit 30. Gas chromatography unit (molecular weight analysis unit) 40 that separates specific types of gas components from the inside, and a sensor unit (molecular recognition) that adsorbs specific types of molecules contained in the separated gas components and detects the adsorption of the molecules Part) 50, a measurement processing part (detection part) 60 that measures the presence or amount of a specific type of molecule based on the detection level in the sensor part 50, and a control part 70 that controls each part of the sensor 10. ing.
図２に示すように、これらのうち、ポンプ２０、吸着部３０、ガスクロマトグラフィ部４０、センサ部５０は、Ｓｉ、またはＳｉＯ２製の基板８０上に、所定のパターン形成を行い、さらに基板８１を積層することで実装されている。 As shown in FIG. 2, among these, the pump 20, the adsorption unit 30, the gas chromatography unit 40, and the sensor unit 50 perform predetermined pattern formation on a substrate 80 made of Si or SiO 2 , and further, the substrate 81. It is mounted by laminating.
図３に示すように、ポンプ２０は、所定の容積を有したチャンバー部（チャンバー）２２、このチャンバー部２２に外部からガスを導入する入口側チャンネル２３、チャンバー部２２からガスを送り出す出口側チャンネル２４、チャンバー部２２と入口側チャンネル２３の間に設けられた入口側逆流防止部（ダイオード部）２５、チャンバー部２２と出口側チャンネル２４の間に設けられた出口側逆流防止部（ダイオード部）２６が形成され、チャンバー部２２に、ヒータ（体積変化発生部）２９が設けられた構成を有している。 As shown in FIG. 3, the pump 20 includes a chamber portion (chamber) 22 having a predetermined volume, an inlet side channel 23 for introducing gas from the outside into the chamber portion 22, and an outlet side channel for sending gas from the chamber portion 22. 24, an inlet side backflow prevention part (diode part) 25 provided between the chamber part 22 and the inlet side channel 23, and an outlet side backflow prevention part (diode part) provided between the chamber part 22 and the outlet side channel 24 26 is formed, and a heater (volume change generation unit) 29 is provided in the chamber unit 22.
図２に示したように、このポンプ２０は、基板８０と、これに対向するように設けられた基板８１との間に形成されている。これら基板８０、８１のいずれか一方または双方の合わせ面に所定形状の凹部を形成することで、チャンバー部２２、入口側チャンネル２３、出口側チャンネル２４、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６が形成されているのである。 As shown in FIG. 2, the pump 20 is formed between a substrate 80 and a substrate 81 provided so as to face the substrate 80. By forming a concave portion having a predetermined shape on one or both mating surfaces of the substrates 80 and 81, the chamber part 22, the inlet side channel 23, the outlet side channel 24, the inlet side backflow prevention part 25, and the outlet side backflow prevention A portion 26 is formed.
図３に示すように、チャンバー部２２は、例えば円形状断面を有している。このチャンバー部２２の一方の側には、入口側逆流防止部２５が形成され、他方の側に出口側逆流防止部２６が形成されている。
入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６は、それぞれ全体として入口側チャンネル２３から出口側チャンネル２４に向けて一方向にガスを流すべく、その流れ方向を規制するものである。
As shown in FIG. 3, the chamber part 22 has, for example, a circular cross section. An inlet-side backflow prevention unit 25 is formed on one side of the chamber part 22, and an outlet-side backflow prevention unit 26 is formed on the other side.
The inlet-side backflow prevention unit 25 and the outlet-side backflow prevention unit 26 restrict the flow directions so that the gas flows in one direction from the inlet-side channel 23 toward the outlet-side channel 24 as a whole.
このようにして、ポンプ２０には、入口側チャンネル２３から、入口側逆流防止部２５、チャンバー部２２、出口側逆流防止部２６を経て、出口側チャンネル２４までが連通したガス流路が形成されている。 In this way, a gas flow path is formed in the pump 20 from the inlet side channel 23 to the outlet side channel 24 through the inlet side backflow prevention unit 25, the chamber part 22, the outlet side backflow prevention unit 26. ing.
チャンバー部２２に設けられたヒータ２９は、チャンバー部２２の上面側または下面側に配設されたもので、例えばＡｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｔｉ等の貴金属、高融点金属や、ＩＴＯ、ＳｎＯ、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ等の金属酸化膜や半導体、単結晶シリコン、不純物を拡散したシリコン等からなる電熱線であり、基板８０の外部に配置される電源（図示無し）に電気的に接続される。そして、電源（図示無し）におけるヒータ２９への電圧の印加は、制御部７０によって制御されるようになっている。
制御部７０の制御により電源から電圧が印加されるとヒータ２９が発熱し、これによってチャンバー部２２内の温度が上昇してガスが膨張し、ヒータ２９への電圧の印加を停止するとヒータ２９の発熱が中止され、チャンバー部２２内の温度が低下してガスが収縮する。ポンプ２０では、ヒータ２９、制御部７０が、温度変化手段、体積変化発生部として機能し、ガスの膨張・収縮を利用することで、ガスの送給を行うようになっている。以下、これについて詳述する。
The heater 29 provided in the chamber portion 22 is disposed on the upper surface side or the lower surface side of the chamber portion 22. For example, a noble metal such as Au, Pt, Cu, Pd, Ir, Cr, Mo, Ti, or a high melting point is provided. A heating wire made of metal, a metal oxide film such as ITO, SnO, or Poly-Si, a semiconductor, single crystal silicon, silicon in which impurities are diffused, etc. Connected. The application of voltage to the heater 29 in a power source (not shown) is controlled by the control unit 70.
When a voltage is applied from the power source under the control of the control unit 70, the heater 29 generates heat. As a result, the temperature in the chamber unit 22 rises to expand the gas, and when the application of the voltage to the heater 29 is stopped, Heat generation is stopped, the temperature in the chamber portion 22 is lowered, and the gas contracts. In the pump 20, the heater 29 and the control unit 70 function as a temperature change unit and a volume change generation unit, and perform gas supply by utilizing gas expansion / contraction. This will be described in detail below.
ポンプ２０においては、外部のガスを入口側チャンネル２３、入口側逆流防止部２５からチャンバー部２２に導入し、出口側逆流防止部２６から吐出する。チャンバー部２２にガスが導入された状態で、ヒータ２９が発熱すると、チャンバー部２２内の温度が上昇してガスが膨張する。すると、膨張したガスは、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６からチャンバー部２２の外部に流出しようとする。このとき、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６において、ガスの流れ方向は、入口側チャンネル２３から出口側チャンネル２４に向かう方向に規制される。
これにより、チャンバー部２２内のガスが膨張し、ポンプ２０の外部に流出しようとした場合、ガスは、より抵抗（圧力損失）の小さい出口側逆流防止部２６からチャンバー部２２の外部に流出する。
In the pump 20, external gas is introduced from the inlet side channel 23 and the inlet side backflow prevention unit 25 into the chamber unit 22 and discharged from the outlet side backflow prevention unit 26. When the heater 29 generates heat while the gas is introduced into the chamber portion 22, the temperature in the chamber portion 22 rises and the gas expands. Then, the expanded gas tends to flow out of the chamber part 22 from the inlet side backflow prevention part 25 and the outlet side backflow prevention part 26. At this time, in the inlet-side backflow prevention unit 25 and the outlet-side backflow prevention unit 26, the gas flow direction is restricted to the direction from the inlet-side channel 23 toward the outlet-side channel 24.
As a result, when the gas in the chamber portion 22 expands and flows out of the pump 20, the gas flows out of the chamber portion 22 from the outlet side backflow prevention portion 26 having a smaller resistance (pressure loss). .
この後、ヒータ２９への電圧の印加を停止するとヒータ２９の発熱が中止され、チャンバー部２２内の温度が低下してガスが収縮する。すると、ガスの収縮に伴い、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６からチャンバー部２２内にガスを導入しようとする。このとき、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６において、前述したような、ガスの流れ方向が規制されるため、ガスは、入口側逆流防止部２５からチャンバー部２２の内部に導入される。 Thereafter, when the application of voltage to the heater 29 is stopped, the heat generation of the heater 29 is stopped, the temperature in the chamber portion 22 is lowered, and the gas is contracted. Then, as the gas contracts, the gas is introduced from the inlet side backflow prevention unit 25 and the outlet side backflow prevention unit 26 into the chamber 22. At this time, since the gas flow direction is regulated in the inlet side backflow prevention unit 25 and the outlet side backflow prevention unit 26 as described above, the gas is introduced from the inlet side backflow prevention unit 25 into the chamber 22. Is done.
このようにして、ヒータ２９の加熱時にはチャンバー部２２内のガスが膨張して出口側逆流防止部２６から出口側チャンネル２４に流出し、ヒータ２９の停止時にはチャンバー部２２内のガスが収縮して入口側チャンネル２３から入口側逆流防止部２５を介してチャンバー部２２内にガスが導入されるようになっている。
したがって、ポンプ２０では、このヒータ２９の加熱・停止を繰り返すことで入口側チャンネル２３からガスを吸い込み、出口側チャンネル２４からガスを吐出することができ、ポンプとして機能することになる。
このため、制御部７０では、所定のサイクルで、ヒータ２９のＯＮ／ＯＦＦを交互に切り替えるようになっている。例えば、制御部７０では、ヒータ２９のＯＮ／ＯＦＦを１００マイクロ秒〜１ミリ秒のサイクルで繰り返すように制御することができる。また、制御部７０では、ヒータ２９をＯＮ／ＯＦＦさせたときに、室温〜１０００℃、好ましくは室温〜５００℃の幅で温度変化が生じるように制御するのが好ましい。
Thus, when the heater 29 is heated, the gas in the chamber portion 22 expands and flows out from the outlet side backflow prevention portion 26 to the outlet side channel 24, and when the heater 29 is stopped, the gas in the chamber portion 22 contracts. Gas is introduced from the inlet side channel 23 into the chamber part 22 through the inlet side backflow prevention part 25.
Therefore, in the pump 20, by repeating heating and stopping of the heater 29, the gas can be sucked from the inlet side channel 23 and discharged from the outlet side channel 24, and functions as a pump.
For this reason, in the control part 70, ON / OFF of the heater 29 is switched alternately by a predetermined cycle. For example, the controller 70 can be controlled to repeat ON / OFF of the heater 29 in a cycle of 100 microseconds to 1 millisecond. Further, it is preferable that the control unit 70 performs control so that a temperature change occurs within a range of room temperature to 1000 ° C., preferably room temperature to 500 ° C., when the heater 29 is turned on / off.
このとき、ヒータ２９のパワーを高めれば、ＯＮ／ＯＦＦ時の温度差が大きくなり、ポンプ２０における流量が増大する。また、ＯＮ／ＯＦＦの切り替え周波数を高めれば流量が増大する。これらＯＮ／ＯＦＦ時の温度差と切り替え周波数は、ポンプ２０の適用対象、用途等に応じて適宜設定すればよい。例えば、高温でガスが分解するような用途に用いる場合には、温度を下げて使うことが必要である。 At this time, if the power of the heater 29 is increased, the temperature difference during ON / OFF increases, and the flow rate in the pump 20 increases. Further, if the ON / OFF switching frequency is increased, the flow rate is increased. What is necessary is just to set suitably the temperature difference and switching frequency at the time of these ON / OFF according to the application object of a pump 20, a use, etc. For example, when it is used for an application where gas is decomposed at a high temperature, it is necessary to lower the temperature.
このように、ポンプ２０は、ガスの熱膨張を利用することで、確実に体積変化を生じさせ、微量な流量であってもガスを確実に搬送することができる。このとき、ポンプ２０中の搬送過程において、ガスは液体状態となることなく、ガス状態のまま搬送される。しかも、ガスを搬送させるためには、チャンバー部２２、入口側チャンネル２３、出口側チャンネル２４、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６からなる流路と、ヒータ２９を備えるのみでよく、機械的な可動部分が不要であるため、高い信頼性を得ることができ、また可動部分を備える場合のように作動音や作動による発熱等が問題になるのも回避できる。 As described above, the pump 20 reliably changes the volume by utilizing the thermal expansion of the gas, and can reliably transport the gas even at a very small flow rate. At this time, in the transport process in the pump 20, the gas is transported in a gas state without being in a liquid state. In addition, in order to transport the gas, it is only necessary to provide the flow path including the chamber part 22, the inlet side channel 23, the outlet side channel 24, the inlet side backflow prevention part 25, and the outlet side backflow prevention part 26, and the heater 29. Since no mechanical movable part is required, high reliability can be obtained, and it is also possible to avoid problems such as operating noise and heat generation due to operation as in the case of including a movable part.
ポンプ２０の出口側チャンネル２４から吐出されたガスは、吸着部３０に送り込まれ、濃縮されることになる。
ポンプ２０から送り込まれたガスを吸着する吸着部３０は、例えば、有機系材料や無機系材料で形成された吸着膜３１で形成されており、ガス中の分子を、低い選択性で物理吸着により吸着する。
The gas discharged from the outlet side channel 24 of the pump 20 is sent to the adsorption unit 30 and concentrated.
The adsorption unit 30 that adsorbs the gas sent from the pump 20 is formed of, for example, an adsorption film 31 formed of an organic material or an inorganic material, and molecules in the gas are physically adsorbed with low selectivity. Adsorb.
このような吸着膜３１の下面または上面には、ヒータ３２が設けられている。このヒータ３２は、ヒータ２９と同様の材料で形成され、基板８０の外部に配置される電源（図示無し）に電気的に接続される。そして、電源（図示無し）におけるヒータ３２への電圧の印加は、制御部７０によって制御されるようになっている。
ポンプ２０側からガスが送り込まれ、吸着膜３１に接触すると、ガス中に含まれる分子（主に揮発性有機化合物）は吸着膜３１に吸着される。そして、制御部７０の制御により電源から電圧が印加されるとヒータ３２が発熱すると、これによって吸着膜３１に吸着された分子が揮発し、吸着膜３１から離脱するようになっている。
このような吸着部３０においては、ポンプ２０を所定時間作動させ、その作動中に送り込まれたガス中の分子を吸着膜３１で吸着する。このポンプ２０の作動時間、すなわち吸着部３０における吸着時間の長さにより、ガスのサンプリング量を決定することができる。
A heater 32 is provided on the lower or upper surface of the adsorption film 31. The heater 32 is formed of the same material as that of the heater 29 and is electrically connected to a power source (not shown) disposed outside the substrate 80. The application of voltage to the heater 32 by a power source (not shown) is controlled by the control unit 70.
When gas is fed from the pump 20 side and comes into contact with the adsorption film 31, molecules (mainly volatile organic compounds) contained in the gas are adsorbed on the adsorption film 31. When the heater 32 generates heat when a voltage is applied from the power source under the control of the control unit 70, the molecules adsorbed on the adsorption film 31 are volatilized and detached from the adsorption film 31.
In such an adsorbing unit 30, the pump 20 is operated for a predetermined time, and the molecules in the gas fed during the operation are adsorbed by the adsorbing film 31. The sampling amount of the gas can be determined by the operation time of the pump 20, that is, the length of the adsorption time in the adsorption unit 30.
吸着部３０の上流側に設けられたガスクロマトグラフィ部４０は、基板８０に形成された溝４１をカラムまたはキャピラリとする。これにより、カラムまたはキャピラリは、基板８０の材料、すなわちＳｉ、またはＳｉＯ２によって形成され、これを固定相とする。このような溝４１を形成するには、基板８０に所定のフォトレジスト工程を行ったあと、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching)等の手法により、例えば深さ５０〜１００μｍ、幅５〜２０μｍの溝４１を形成する。ここで、Ｓｉは他の金属と比較的低温であっても反応を起こすので内部が酸化し表面に酸化膜が形成される。また必要に応じ、ＳｉＮ４等のバリア膜を形成することもできる。 The gas chromatography unit 40 provided on the upstream side of the adsorption unit 30 uses the grooves 41 formed in the substrate 80 as columns or capillaries. Thus, a column or capillary material of the substrate 80, i.e. Si, or is formed by SiO 2, which is referred to as the stationary phase. In order to form such a groove 41, after a predetermined photoresist process is performed on the substrate 80, the groove 41 having a depth of 50 to 100 μm and a width of 5 to 20 μm is formed by a technique such as RIE (Reactive Ion Etching). Form. Here, since Si reacts with other metals even at a relatively low temperature, the inside is oxidized and an oxide film is formed on the surface. Further, a barrier film such as SiN 4 can be formed as necessary.
カラムまたはキャピラリを構成する溝４１には、ガス吸着材料４２が充填されている。このガス吸着材料４２としては、微粉化したカーボン、シリコンや金属（アルミ、亜鉛、錫、チタン）等の酸化物、或いは同じく微粉化した高分子、更に表面に金属をコーティングしたナノ粒子等が考えられる。 A gas adsorbing material 42 is filled in the groove 41 constituting the column or capillary. Examples of the gas adsorbing material 42 include finely divided carbon, oxides such as silicon and metal (aluminum, zinc, tin, titanium), similarly finely divided polymer, and nanoparticles coated with metal on the surface. It is done.
ガスクロマトグラフィ部４０には、ヒータ２９と同様の材料で形成されたヒータ４３が備えられている。このヒータ４３により、カラムまたはキャピラリを構成する溝４１が所定温度に加熱され、ガス吸着材料４２に吸着された分子を揮発（離脱）させることで、分子量分析を行う。すなわち、分子量の小さな分子は早く溝４１のカラムまたはキャピラリを脱出し、分子量の大きな分子は溝４１から脱出するのに時間を要するので、この分子の脱出時間（の差）により、分子量を分析することができるのである。 The gas chromatography unit 40 is provided with a heater 43 made of the same material as the heater 29. The heater 43 heats the groove 41 constituting the column or capillary to a predetermined temperature, and volatilizes (desorbs) the molecules adsorbed on the gas adsorbing material 42 to perform molecular weight analysis. That is, since a molecule having a small molecular weight escapes from the column or capillary of the groove 41 quickly, and a molecule having a large molecular weight takes time to escape from the groove 41, the molecular weight is analyzed based on (difference) in the escape time of this molecule. It can be done.
センサ部５０は、ガスクロマトグラフィ部４０で分離したガス中に含まれる分子を吸着する吸着膜５１と、吸着膜５１への分子の吸着を検出するための振動子５２と、を備える。
吸着膜５１は、吸着部３０と同様、有機系材料や、無機系材料で形成することができる。
このような吸着膜５１は、振動子５２の表面に形成するのが好ましい。
振動子５２は、基端部が固定されて片持ち梁状とされたカンチレバー型や、全体として円形、矩形、あるいは適宜他の形状を有したディスク状のディスク型とすることができる。
振動子５２は、これを駆動するための駆動源（図示無し）を備えている。このような駆動源としては、静電容量方式と、ピエゾ駆動方式等があり、いずれも所定周波数で振動子５２を振動させるようになっており、測定処理部６０は、このための駆動回路（図示無し）を有している。振動子５２は、駆動源によって所定周波数で振動させた状態で、吸着膜５１に質量を有した分子等の検出対象物が付着すると、振動周波数が変化するようになっている。
また、センサ部５０には、ヒータ２９と同様の材料で形成されたヒータ５３が設けられ、吸着膜５１で吸着した分子を離脱できるようになっている。
The sensor unit 50 includes an adsorption film 51 that adsorbs molecules contained in the gas separated by the gas chromatography unit 40, and a vibrator 52 that detects adsorption of molecules onto the adsorption film 51.
The adsorption film 51 can be formed of an organic material or an inorganic material, like the adsorption portion 30.
Such an adsorption film 51 is preferably formed on the surface of the vibrator 52.
The vibrator 52 can be a cantilever type in which a base end portion is fixed and cantilevered, or a disk shape having a circular shape, a rectangular shape, or another shape as appropriate.
The vibrator 52 includes a drive source (not shown) for driving it. As such a drive source, there are an electrostatic capacity method, a piezo drive method, and the like, both of which vibrate the vibrator 52 at a predetermined frequency, and the measurement processing unit 60 uses a drive circuit ( (Not shown). The vibration frequency of the vibrator 52 changes when a detection object such as a molecule having a mass adheres to the adsorption film 51 in a state where the vibrator 52 is vibrated at a predetermined frequency.
The sensor unit 50 is provided with a heater 53 made of the same material as that of the heater 29 so that molecules adsorbed by the adsorption film 51 can be detached.
上記の、振動子５２の振動周波数の変化を、センサ部５０で検出する。
センサ部５０では、静電容量方式等により、振動子５２の振動周波数の変化を、電気信号として検出することができる。なお、ここでは、静電容量による読み出しを例としたが、読み出し方法は圧電素子の電歪を用いても、シリコンや圧電素子のピエゾ効果を用いても良い。
The sensor unit 50 detects the change in the vibration frequency of the vibrator 52 described above.
The sensor unit 50 can detect a change in the vibration frequency of the vibrator 52 as an electric signal by a capacitance method or the like. Here, reading by capacitance is taken as an example, but the reading method may use the electrostriction of a piezoelectric element or the piezoelectric effect of silicon or a piezoelectric element.
測定処理部６０は、センサ部５０から出力される電気信号を受け、その電気信号の変化を検出することで、吸着膜５１への特定種の分子の吸着の有無またはその量を測定する。センサ１０においては、測定処理部６０における測定結果を、ランプ、ブザー等のＯＮ／ＯＦＦ、測定値、測定レベルの表示等によって出力できるようにするのが好ましい。 The measurement processing unit 60 receives the electrical signal output from the sensor unit 50 and detects the change in the electrical signal, thereby measuring the presence / absence or the amount of adsorption of a specific type of molecule on the adsorption film 51. In the sensor 10, it is preferable that the measurement result in the measurement processing unit 60 can be output by ON / OFF of a lamp, a buzzer, etc., a measurement value, a display of a measurement level, and the like.
制御部７０では、センサ１０の各部をコントロールする。例えば、各部において吸着した分子、成分を揮発させるためのヒータ２９、３２、４３、５３、振動子５２の作動制御等を行うことができる。 The control unit 70 controls each part of the sensor 10. For example, it is possible to control the operation of the heaters 29, 32, 43, 53, and the vibrator 52 for volatilizing molecules and components adsorbed in each part.
このようなセンサ１０においては、制御部７０のコントロールによって、ポンプ２０で周囲のガスを吸い込んで濃縮し、ガスに含まれる分子を吸着部３０で吸着する。そして、吸着部３０で吸着した分子中から、ガスクロマトグラフィ部４０で特定種の分子を分離し、分離した特定種の分子をセンサ部５０の吸着膜５１で吸着する。吸着膜５１への分子の吸着をセンサ部５０で検出し、その検出レベルに基づき、測定処理部６０で特定種の分子の有無またはその量を測定する。このようにして、特定種の分子の有無の検出、またはその量を測定することができる。これにより、特定のガスや匂いや特定の物質等の存在の検出、あるいはその量、濃度の検出を行うことが可能となる。このとき、ポンプ２０においてガスを圧縮して送り込むことで、微小なガス量でも高感度な検出が可能となり、センサ１０を、ワンチップで超小型ながら、従来にない高感度な検出性能を備えるものとすることができる。
このようなセンサ１０は、ＭＥＭＳ技術等の微細加工技術により製造することが可能であり、これによって大量生産による低コスト化が可能となる。
In such a sensor 10, ambient gas is sucked and concentrated by the pump 20 under the control of the control unit 70, and molecules contained in the gas are adsorbed by the adsorption unit 30. Then, from the molecules adsorbed by the adsorption unit 30, a specific type of molecule is separated by the gas chromatography unit 40, and the separated specific type of molecule is adsorbed by the adsorption film 51 of the sensor unit 50. Adsorption of molecules on the adsorption film 51 is detected by the sensor unit 50, and based on the detection level, the presence or amount of a specific type of molecule is measured by the measurement processing unit 60. In this way, it is possible to detect the presence or absence of a specific type of molecule, or to measure the amount thereof. As a result, it is possible to detect the presence of a specific gas, odor or specific substance, or to detect the amount or concentration thereof. At this time, the pump 20 compresses and feeds the gas, so that even a minute gas amount can be detected with high sensitivity, and the sensor 10 has an unprecedented high sensitivity detection performance while being ultra-compact with one chip. It can be.
Such a sensor 10 can be manufactured by a microfabrication technique such as a MEMS technique, thereby enabling cost reduction by mass production.
さて、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６は、以下に示すような構成を有したものとすることができる。
図４に示すように、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６は、第一の室１００と、少なくとも１段の第二の室１１０を備える。入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６においてガスの流れ方向を規制すべき方向（入口側チャンネル２３から出口側チャンネル２４に向かう方向）において、上流側（入口側チャンネル２３）に第一の室１００が配置され、下流側（出口側チャンネル２４）に第二の室１１０が配置される。図４においては、第二の室１１０が１段のみ設けられた例を示したが、第二の室１１０を複数段設ける場合、複数段の第二の室１１０は直列に設ける。
Now, the inlet-side backflow prevention unit 25 and the outlet-side backflow prevention unit 26 can have the following configurations.
As shown in FIG. 4, the inlet side backflow prevention unit 25 and the outlet side backflow prevention unit 26 include a first chamber 100 and at least one second chamber 110. In the direction in which the gas flow direction should be regulated in the inlet-side backflow prevention unit 25 and the outlet-side backflow prevention unit 26 (the direction from the inlet-side channel 23 toward the outlet-side channel 24), the first upstream side (inlet-side channel 23) The second chamber 110 is disposed on the downstream side (exit side channel 24). FIG. 4 shows an example in which only one stage of the second chamber 110 is provided. However, when the second chamber 110 is provided in a plurality of stages, the plurality of second chambers 110 are provided in series.
第一の室１００は、上流側から下流側に向けて断面積が一定のストレート形状であり、入口側逆流防止部２５においては、第一の室１００は入口側チャンネル２３を兼ねる構成とすることも可能である。
第二の室１１０は、ガスの流れ方向において、上流側から下流側に向けて断面積が漸次拡大するテーパ形状とされている。第二の室１１０は、上流側の第一の室１００あるいは他の第二の室１１０に対しノズル部１１０ａを介して連通している。そして、少なくとも１段の第二の室１１０において、ノズル部１１０ａは、上流側に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００の幅方向の中心に対し、一方の側にオフセットした位置で開口している。ここで、ノズル部１１０ａが、上流側に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００の幅方向の中心に対し、一方の側にオフセットした位置で開口している第二の室１１０を、第二の室１１０Ｆと適宜称する。
The first chamber 100 has a straight shape with a constant cross-sectional area from the upstream side toward the downstream side. In the inlet-side backflow prevention unit 25, the first chamber 100 also serves as the inlet-side channel 23. Is also possible.
The second chamber 110 has a tapered shape whose cross-sectional area gradually increases from the upstream side toward the downstream side in the gas flow direction. The second chamber 110 communicates with the first chamber 100 on the upstream side or the other second chamber 110 via the nozzle portion 110a. In at least one second chamber 110, the nozzle portion 110a is offset to one side with respect to the center in the width direction of the other second chamber 110 or the first chamber 100 adjacent to the upstream side. Open at position. Here, the second chamber in which the nozzle portion 110a is opened at a position offset to one side with respect to the center in the width direction of the other second chamber 110 or the first chamber 100 adjacent to the upstream side. 110 is appropriately referred to as a second chamber 110F.
これにより、上流側から下流側に流体が流れるとき（以下、これを順方向と称する）には、第二の室１１０Ｆに隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００から、ガスはノズル部１１０ａを通って第二の室１１０Ｆに流れ込む。この場合、第二の室１１０Ｆに対しては、ノズル部１１０ａは中心軸上に位置しているため、第二の室１１０Ｆ内における流れは細かい渦による乱れのないものとなる。
一方、上記と逆方向の流れにおいては、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０Ｆの上流側の他の第二の室１１０あるいはチャンバー部２２、出口側チャンネル２４において、断面方向に非対称な流れとなる。より具体的には、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０Ｆの上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００において、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａが形成されている側の側面に沿うように流れる。これによって、第二の室１１０Ｆの上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００においては、流れによって小さな渦が生じて乱流状態となり、順方向の場合よりも流れの抵抗が大きくなる。
その結果、順方向に流れるときとガスが逆方向に流れるときとでは、流れの抵抗に差が生じ、これによって流体ダイオードとして機能する。
Thereby, when the fluid flows from the upstream side to the downstream side (hereinafter referred to as the forward direction), the gas flows from the other second chamber 110 or the first chamber 100 adjacent to the second chamber 110F. Flows into the second chamber 110F through the nozzle portion 110a. In this case, since the nozzle part 110a is located on the central axis with respect to the second chamber 110F, the flow in the second chamber 110F is not disturbed by fine vortices.
On the other hand, in the flow in the opposite direction to the above, the gas blown out from the nozzle portion 110a of the second chamber 110F is another second chamber 110 or chamber portion 22 upstream of the second chamber 110F, and the outlet side channel. 24, the flow is asymmetric in the cross-sectional direction. More specifically, the gas blown out from the nozzle portion 110a of the second chamber 110F is transferred to the second chamber 110F in the other second chamber 110 or the first chamber 100 on the upstream side of the second chamber 110F. It flows along the side surface on the side where the nozzle portion 110a is formed. As a result, in the other second chamber 110 or the first chamber 100 upstream of the second chamber 110F, a small vortex is generated by the flow, resulting in a turbulent state, and the flow resistance is higher than that in the forward direction. growing.
As a result, there is a difference in flow resistance between when the gas flows in the forward direction and when the gas flows in the reverse direction, thereby functioning as a fluidic diode.
このように、上流側に対してオフセットした位置に開口するノズル部１１０ａを備えた第二の室１１０Ｆは、少なくとも１段を設ければよいが、好ましくは図５に示すように２段以上設けるのが良い。その場合、全体としての流れがジグザグ状に蛇行するよう、互いに前後する第二の室１１０Ｆ、１１０Ｆにおいて、ノズル部１１０ａの開口位置は、チャンバー部２２、出口側チャンネル２４の中心軸線に対して一方の側と他方の側の交互に開口するのが好ましい。 As described above, the second chamber 110F provided with the nozzle portion 110a opening at a position offset with respect to the upstream side may be provided with at least one stage, but preferably provided with two or more stages as shown in FIG. Is good. In that case, in the second chambers 110 </ b> F and 110 </ b> F that move back and forth with respect to each other so that the overall flow meanders in a zigzag pattern, It is preferable to open alternately on the other side and the other side.
［実施例１］
上記のような構成について、数値シミュレーションによる実験を行った。
ここで、上流側の第一の室１００に対してオフセットした位置に開口するノズル部１１０ａを備えた第二の室１１０Ｆは、１段だけ設けた。
第一の室１００の長さは４００μｍ、幅は１００μｍ、第二の室１１０Ｆの長さは４００μｍ、下流側の幅は１００μｍ、ノズル部１１０ａの開口の幅は１０μｍとした。また、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａのオフセット寸法は２５μｍとした。
[Example 1]
An experiment by numerical simulation was performed for the above configuration.
Here, the second chamber 110F provided with the nozzle portion 110a that opens at a position offset with respect to the first chamber 100 on the upstream side is provided with only one stage.
The length of the first chamber 100 is 400 μm, the width is 100 μm, the length of the second chamber 110F is 400 μm, the width on the downstream side is 100 μm, and the width of the opening of the nozzle portion 110a is 10 μm. Moreover, the offset dimension of the nozzle part 110a of the second chamber 110F was set to 25 μm.
このような条件において、逆方向と順方向のそれぞれにおいて、雰囲気温度を３００Ｋ、流体として圧縮性流体である窒素を用い、二次元（図６の紙面に沿った面内。紙面に直交する方向については第二の室１１０Ｆ，１００、チャンバー部２２、出口側チャンネル２４の深さを無限大とする。）、下流側と上流側の差圧を０．０２ＭＰａとし、これらの条件において、「有限要素法」を用いたシミュレーションにより、初期の過渡状態の後の状態（以下定常状態と呼ぶ）での質量流量の時間的変化、流速分布を調べた（質量流量の算出においては２０μｍの奥行き（厚み）を仮定した。また、その平均値は１５０μ秒〜２００μ秒の間の質量流量を用いて算出した。以降の質量流量とその平均値の算出も同様）。
その結果を図６に示す。
Under such conditions, the atmospheric temperature is 300K in each of the reverse direction and the forward direction, and nitrogen, which is a compressible fluid, is used as the fluid, and is two-dimensional (in the plane along the plane of the paper in FIG. 6. The depth of the second chambers 110F, 100, the chamber part 22, and the outlet channel 24 is infinite.) The differential pressure between the downstream side and the upstream side is 0.02 MPa. The time variation of the mass flow rate and the flow velocity distribution in the state after the initial transient state (hereinafter referred to as the steady state) and the flow velocity distribution were investigated by a simulation using the “method” (20 μm depth (thickness) in the calculation of the mass flow rate). The average value was calculated using a mass flow rate between 150 μs and 200 μs (the same applies to the subsequent calculation of the mass flow rate and the average value).
The result is shown in FIG.
図６（ａ）に示すように、逆方向と順方向とでは、差圧が０．０２ＭＰａのときに質量流量の平均値が３．０３％異なり、順方向の方が流れの効率が良い。 As shown in FIG. 6A, in the reverse direction and the forward direction, when the differential pressure is 0.02 MPa, the average value of the mass flow rate differs by 3.03%, and the forward direction has better flow efficiency.
上記の条件における流れの様子を、流速分布により示す。
図６において、（ｂ）は逆方向における流速分布、（ｃ）は順方向における流速分布を示すものである。
図６（ｂ）に示すように、差圧が０．０２ＭＰａであるときには、逆方向のときに、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａから出た流れは、上流側の第一の室１００内において、ノズル部１１０ａがオフセットしている側に偏って湾曲・蛇行するように流れている。一方、図６（ｃ）に示すように、順方向のときには、第一の室１００からノズル部１１０ａを通って第二の室１１０Ｆに流れ込んだガスは、第二の室１１０Ｆ内をほぼ直線状に流れている。この、逆方向と順方向の流れの違いにより、質量流量が異なっていると言える。
The state of flow under the above conditions is shown by the flow velocity distribution.
In FIG. 6, (b) shows the flow velocity distribution in the reverse direction, and (c) shows the flow velocity distribution in the forward direction.
As shown in FIG. 6 (b), when the differential pressure is 0.02 MPa, the flow out of the nozzle portion 110a of the second chamber 110F in the reverse direction causes the flow inside the first chamber 100 on the upstream side. , The nozzle portion 110a flows so as to bend and meander toward the offset side. On the other hand, as shown in FIG. 6C, in the forward direction, the gas flowing from the first chamber 100 through the nozzle portion 110a into the second chamber 110F is substantially linear in the second chamber 110F. Is flowing. It can be said that the mass flow rate is different due to the difference between the reverse flow and the forward flow.
さらに、図７に示すように、上流側に対してオフセットした位置に開口するノズル部１１０ａを備えた第二の室１１０Ｆを、２段を連続して設けた場合について上記と同様のシミュレーションを行った。２段の第二の室１１０Ｆの上流側には、第一の室１００に対し、幅方向の中心に開口する第二の室１１０を設けた。
第一の室１００、第二の室１１０、１１０Ｆのサイズは図６の場合と同様である。また、１段目と２段目の第二の室１１０Ｆにおいて、ノズル部１１０ａのオフセット方向を異ならせ、そのオフセット寸法はそれぞれ２５μｍとした。
そして、雰囲気温度３００Ｋ、流体として窒素を用い、二次元、下流側と上流側の差圧を０．０５ＭＰａとし、これらの条件において、「有限要素法」を用いたシミュレーションにより、定常状態での流れの様子を調べた。
Further, as shown in FIG. 7, a simulation similar to the above is performed in the case where the second chamber 110F including the nozzle portion 110a opening at a position offset with respect to the upstream side is provided in two stages. It was. On the upstream side of the second chamber 110 </ b> F of the second stage, the second chamber 110 that opens to the center in the width direction with respect to the first chamber 100 is provided.
The sizes of the first chamber 100 and the second chambers 110 and 110F are the same as in FIG. Further, in the second chamber 110F of the first stage and the second stage, the offset direction of the nozzle portion 110a is made different, and the offset dimension is 25 μm.
Then, the atmospheric temperature is 300K, nitrogen is used as the fluid, the two-dimensional pressure difference between the downstream side and the upstream side is 0.05 MPa. Under these conditions, the flow in the steady state is determined by simulation using the “finite element method”. The state of was investigated.
上記の条件における流れの様子を、流速分布により示す。
図７において、（ａ）は質量流量の時間的変化、（ｂ）は逆方向における流速分布、（ｃ）は順方向における流速分布を示すものである。
図７（ｂ）に示すように、逆方向のときに、第二の室１１０Ｆのノズル部１１０ａから出た流れは、隣接する他の第二の室１１０Ｆ、１１０、第一の室１００内において、ノズル部１１０ａがオフセットしている側に偏って湾曲・蛇行するように流れている。一方、図７（ｃ）に示すように、順方向のときには、第一の室１００から第二の室１１０、１１０Ｆに順次流れ込むガスは、それぞれの第二の室１１０、１１０Ｆ内をほぼ直線状に流れている。この、逆方向と順方向の流れの違いにより、質量流量が異なっていると言える。
ここで、逆方向と順方向とでは、質量流量の平均値が２０．１６％異なり、順方向の方が流れの効率が良いことが確認された。
The state of flow under the above conditions is shown by the flow velocity distribution.
In FIG. 7, (a) shows the temporal change in mass flow rate, (b) shows the flow velocity distribution in the reverse direction, and (c) shows the flow velocity distribution in the forward direction.
As shown in FIG. 7 (b), the flow out of the nozzle portion 110a of the second chamber 110F in the reverse direction is caused in the other adjacent second chambers 110F and 110 and the first chamber 100. The nozzle portion 110a flows so as to bend and meander toward the offset side. On the other hand, as shown in FIG. 7C, in the forward direction, the gas that sequentially flows from the first chamber 100 into the second chambers 110 and 110F is substantially linear in the second chambers 110 and 110F. Is flowing. It can be said that the mass flow rate is different due to the difference between the reverse flow and the forward flow.
Here, the average value of mass flow rate differs by 20.16% between the reverse direction and the forward direction, and it was confirmed that the flow efficiency was better in the forward direction.
［第二の実施の形態］
次に、本発明の第二の実施の形態について説明する。ここで、上記第一の実施の形態と異なるのは、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６の構成のみであるため、以下においては、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６のみの説明を行い、第一の実施の形態と共通する他の構成については説明を省略する。
図８に示すように、入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６は、少なくとも１段の第二の室１１０を備える。各第二の室１１０は、ガスの流れ方向（入口側チャンネル２３から出口側チャンネル２４に向かう方向）において、下流側から上流側に向けて断面積が漸次小さくなるテーパ形状とされている。そして、第二の室１１０のノズル部１１０ａは、上流側に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００の幅方向の中心に開口している。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. Here, since only the configuration of the inlet side backflow prevention unit 25 and the outlet side backflow prevention unit 26 is different from the first embodiment, in the following, the inlet side backflow prevention unit 25 and the outlet side backflow prevention unit will be described. Only the unit 26 will be described, and description of other configurations common to the first embodiment will be omitted.
As shown in FIG. 8, the inlet-side backflow prevention unit 25 and the outlet-side backflow prevention unit 26 include at least one second chamber 110. Each of the second chambers 110 has a tapered shape in which the cross-sectional area gradually decreases from the downstream side toward the upstream side in the gas flow direction (the direction from the inlet side channel 23 toward the outlet side channel 24). The nozzle portion 110 a of the second chamber 110 is opened at the center in the width direction of the other second chamber 110 or the first chamber 100 adjacent to the upstream side.
このような構成において、下流側から上流側に流体が流れるとき（以下、これを逆方向と称する）には、第二の室１１０のノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０の上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００において、下流側と上流側との差圧の大きさによって、以下のように流れが変化する。
下流側と上流側との差圧が小さいときには、ノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０の上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００において、その幅方向の中心を直線的に流れる。
下流側と上流側との差圧が大きくなると、ノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０の上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００において、その幅方向の一方の側の壁面に沿うように流れる。これは、ノズル部１１０ａが、上流側に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００の幅方向の中心に開口していながらも、その両側の壁面の表面状態のばらつき、ガスの流れが完全に均一ではないこと等に起因し、コアンダ効果によって、一方の側の壁面に引き寄せられることによる。
下流側と上流側との差圧がさらに大きくなると、ノズル部１１０ａから吹き出したガスは、第二の室１１０の上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００において、渦や乱流が生じ、流れが大きく乱れる。
In such a configuration, when a fluid flows from the downstream side to the upstream side (hereinafter referred to as a reverse direction), the gas blown out from the nozzle portion 110a of the second chamber 110 is discharged from the second chamber 110. In the other second chamber 110 or the first chamber 100 on the upstream side, the flow changes as follows depending on the magnitude of the differential pressure between the downstream side and the upstream side.
When the differential pressure between the downstream side and the upstream side is small, the gas blown out from the nozzle portion 110 a is expanded in the width direction in the other second chamber 110 or the first chamber 100 upstream of the second chamber 110. Flows straight through the center.
When the differential pressure between the downstream side and the upstream side increases, the gas blown out from the nozzle portion 110a is expanded in the width direction in the other second chamber 110 or the first chamber 100 upstream of the second chamber 110. It flows along the wall on one side. This is because the nozzle portion 110a is open at the center in the width direction of the other second chamber 110 or the first chamber 100 adjacent to the upstream side, but the surface condition of both sides of the nozzle portion 110a varies, This is due to the fact that the flow is not completely uniform and the like, and is attracted to the wall surface on one side by the Coanda effect.
When the differential pressure between the downstream side and the upstream side is further increased, the gas blown out from the nozzle portion 110 a is swirled or turbulent in the other second chamber 110 or the first chamber 100 upstream of the second chamber 110. A flow is generated and the flow is greatly disturbed.
一方、上記と逆の順方向の流れにおいては、第二の室１１０に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００から、ガスはノズル部１１０ａを通って第二の室１１０に流れ込む。この場合、第二の室１１０に対しては、ノズル部１１０ａは中心軸上に位置しているため、第二の室１１０内における流れは大きな乱れのないものとなる。その結果、ガスが逆方向に流れるときと順方向に流れるときとでは、上流側と下流側との差圧によっては、流れの抵抗に差が生じ、これによって流体ダイオードとして機能する。
このとき、上流側と下流側との差圧が大きくなれば、順方向の流れにおいても、第二の室１１０に隣接する他の第二の室１１０あるいは第一の室１００から、ノズル部１１０ａを通って第二の室１１０に流れ込んだガスの流れに乱れが生じる。流体ダイオードとして機能させるには、ガスが逆方向に流れるときと順方向に流れるときとの流れの抵抗に大きな差が生じているのが好ましい。したがって、上流側と下流側との差圧は、ある特定の範囲内に設定して用いるのが好ましい。ただし、第二の室１１０や、第二の室１１０の上流側の他の第二の室１１０あるいは第一の室１００の各部寸法や、表面状態等の各種条件によって流れの抵抗は変わり得るため、差圧の範囲を条件に関わらず特定の範囲に一概に定義するのは困難であり、種々条件に応じ、シミュレーションや実験によって差圧の範囲を設定するのが好ましい。
On the other hand, in the forward flow opposite to the above, gas flows from the other second chamber 110 adjacent to the second chamber 110 or the first chamber 100 to the second chamber 110 through the nozzle portion 110a. Flows in. In this case, since the nozzle part 110a is located on the central axis with respect to the second chamber 110, the flow in the second chamber 110 is not greatly disturbed. As a result, there is a difference in flow resistance depending on the pressure difference between the upstream side and the downstream side between when the gas flows in the reverse direction and when it flows in the forward direction, thereby functioning as a fluid diode.
At this time, if the differential pressure between the upstream side and the downstream side increases, the nozzle portion 110a from the other second chamber 110 adjacent to the second chamber 110 or the first chamber 100 also in the forward flow. Disturbance occurs in the flow of the gas flowing through the second chamber 110 through the second chamber 110. In order to function as a fluid diode, it is preferable that there is a large difference in flow resistance between when the gas flows in the reverse direction and when the gas flows in the forward direction. Therefore, the differential pressure between the upstream side and the downstream side is preferably set and used within a specific range. However, the flow resistance can vary depending on various conditions such as the dimensions of the second chamber 110, other second chambers 110 on the upstream side of the second chamber 110 or the first chamber 100, and the surface condition. It is difficult to define the differential pressure range in a specific range regardless of conditions, and it is preferable to set the differential pressure range by simulation or experiment according to various conditions.
［実施例２］
上記のような構成について、数値シミュレーションによる実験を行った。
ここで、ノズル部１１０ａを備えた第二の室１１０は、１段だけ設け、その上流側に、第一の室１００を設けた。第二の室１１０のノズル部１１０ａは、第一の室１００の幅方向の中心に開口するよう形成した。
第二の室１１０の長さは４００μｍ、下流側の幅は１００μｍ、ノズル部１１０ａの開口の幅は１０μｍとした。
[Example 2]
An experiment by numerical simulation was performed for the above configuration.
Here, the second chamber 110 provided with the nozzle portion 110a is provided only in one stage, and the first chamber 100 is provided upstream thereof. The nozzle portion 110 a of the second chamber 110 was formed so as to open at the center in the width direction of the first chamber 100.
The length of the second chamber 110 was 400 μm, the width on the downstream side was 100 μm, and the width of the opening of the nozzle portion 110a was 10 μm.
このような条件において、逆方向と順方向のそれぞれにおいて、雰囲気温度を３００Ｋ、流体として圧縮性流体である窒素を用い、下流側と上流側の差圧を０．００１ＭＰａ、０．０２ＭＰａ、０．０５ＭＰａの３通りとし、これらの条件において、「有限要素法」を用いたシミュレーションにより、二次元面内における定常状態での質量流量の時間的変化、流速分布を調べた。
その結果を図９〜図１１に示す。図９は、差圧０．００１ＭＰａ、図１０は、差圧０．０２ＭＰａ、図１１は差圧０．０５ＭＰａの場合の結果である。
Under such conditions, in each of the reverse direction and the forward direction, the atmospheric temperature is 300K, the compressive fluid nitrogen is used as the fluid, and the differential pressure between the downstream side and the upstream side is 0.001 MPa, 0.02 MPa,. Under these conditions, the change in mass flow rate over time and the flow velocity distribution in a steady state in a two-dimensional plane were examined by simulation using the “finite element method” under these conditions.
The results are shown in FIGS. FIG. 9 shows the results when the differential pressure is 0.001 MPa, FIG. 10 shows the results when the differential pressure is 0.02 MPa, and FIG. 11 shows the results when the differential pressure is 0.05 MPa.
その結果、逆方向と順方向とでは、図９（ａ）に示すように、差圧が０．００１ＭＰａのときに質量流量の平均値が４．３７％異なっており、図１０（ａ）に示すように、差圧が０．０２ＭＰａのときには１６．２６％、図１１（ａ）に示すように、差圧が０．０５ＭＰａのときには８．２３％であり、いずれも順方向の方が質量流量の平均値が高い。これにより、流体ダイオードとして機能し得ることが確認された。 As a result, as shown in FIG. 9A, the average value of the mass flow rate differs by 4.37% when the differential pressure is 0.001 MPa, as shown in FIG. As shown in the figure, 16.26% when the differential pressure is 0.02 MPa, and 8.23% when the differential pressure is 0.05 MPa as shown in FIG. 11 (a). The average flow rate is high. Thereby, it was confirmed that it can function as a fluid diode.
上記の条件における流れの様子を、流速分布により示す。
図９〜図１１において、（ｂ）は逆方向における流速分布、（ｃ）は順方向における流速分布を示すものである。
図９（ｂ）、（ｃ）に示すように、差圧が０．００１ＭＰａであるときには、逆方向、順方向いずれの場合も、ノズル部１１０ａから出たガスは、そのまま、第一の室１００、あるいは第二の室１１０の中央部を直線的に流れている。
図１０（ｂ）に示すように、差圧が０．０２ＭＰａであるときには、逆方向のときに、第二の室１１０のノズル部１１０ａから出た流れは、上流側の第一の室１００内において、一方の側に偏って湾曲・蛇行するように流れている。一方、図１０（ｃ）に示すように、順方向のときには、第一の室１００からノズル部１１０ａを通って第二の室１１０に流れ込んだガスは、第二の室１１０内をほぼ直線状に流れている。この、逆方向と順方向の流れの違いにより、質量流量が異なっていると言える。
図１１（ｂ）に示すように、差圧が０．０５ＭＰａであるときには、逆方向のときに、第二の室１１０のノズル部１１０ａから出た流れは、上流側の第一の室１００内において大きく乱れている。一方、図１１（ｃ）に示すように、順方向のときには、第一の室１００からノズル部１１０ａを通って第二の室１１０に流れ込んだガスは、第二の室１１０内の一方の側に偏ってほぼ直線状に流れている。この、逆方向と順方向の流れの違いにより、質量流量が異なっていると言える。しかし、図１１（ａ）に示したように、質量流量が大きく上下動する結果、順方向と逆方向の平均値の差は、差圧が０．０２ＭＰａの場合よりも小さくなっている。
The state of flow under the above conditions is shown by the flow velocity distribution.
9 to 11, (b) shows the flow velocity distribution in the reverse direction, and (c) shows the flow velocity distribution in the forward direction.
As shown in FIGS. 9B and 9C, when the differential pressure is 0.001 MPa, the gas discharged from the nozzle portion 110a remains as it is in the first chamber 100 in both the reverse direction and the forward direction. Alternatively, it flows linearly through the center of the second chamber 110.
As shown in FIG. 10 (b), when the differential pressure is 0.02 MPa, the flow from the nozzle portion 110a of the second chamber 110 in the reverse direction causes the flow inside the first chamber 100 on the upstream side. In FIG. 1, the current flows so as to bend and meander toward one side. On the other hand, as shown in FIG. 10C, in the forward direction, the gas flowing from the first chamber 100 through the nozzle portion 110a into the second chamber 110 is substantially linear in the second chamber 110. Is flowing. It can be said that the mass flow rate is different due to the difference between the reverse flow and the forward flow.
As shown in FIG. 11 (b), when the differential pressure is 0.05 MPa, the flow from the nozzle portion 110a of the second chamber 110 in the reverse direction causes the flow inside the first chamber 100 on the upstream side. Is greatly disturbed. On the other hand, as shown in FIG. 11C, in the forward direction, the gas flowing from the first chamber 100 through the nozzle portion 110 a into the second chamber 110 is on one side in the second chamber 110. The flow is almost straight. It can be said that the mass flow rate is different due to the difference between the reverse flow and the forward flow. However, as shown in FIG. 11A, as a result of the mass flow greatly moving up and down, the difference between the average values in the forward direction and the reverse direction is smaller than when the differential pressure is 0.02 MPa.
０．００１ＭＰａ〜０．０５５ＭＰａの差圧において、さらに詳細に計算を行った時の差圧と質量流量の平均値の差（順方向を正とする）が図１２である。図１２の計算では、「中央部での直線的な流れ」から「偏って湾曲・蛇行する流れ」に遷移する差圧は０．００２〜０．００３ＭＰａの間であり、「偏って湾曲・蛇行する流れ」から「上流側の第一の室１００内において小さくではあるが質量流量が上下動する流れ」に遷移する差圧は０．０３２〜０．０３３ＭＰａの間であり、「上流側の第一の室１００内において小さくではあるが質量流量が上下動する流れ」から「質量流量が大きく上下動する流れ（逆方向の質量流量が順方向の質量流量よりも一時的に大きくなる場合が生じるような流れ）」 に遷移する差圧は０．０４１〜０．０４２ＭＰａの間であった。
これにより上記条件に限って言えば、上流側と下流側の差圧は、０．００２ＭＰａより大きく０．０４２ＭＰａ未満とするのが好ましいと言える。
FIG. 12 shows the difference between the differential pressure and the average value of the mass flow rate (the forward direction is positive) when the calculation is performed in more detail in the differential pressure of 0.001 MPa to 0.055 MPa. In the calculation of FIG. 12, the differential pressure that transitions from “linear flow at the center” to “bias-bending / meandering flow” is between 0.002 and 0.003 MPa. The differential pressure that makes a transition from “flow to flow” to “flow in which the mass flow rate moves up and down in a small amount in the first chamber 100 on the upstream side” is between 0.032 and 0.033 MPa. From “a flow in which the mass flow rate moves up and down in a small chamber 100” to “a flow in which the mass flow rate increases and moves up and down (the mass flow rate in the reverse direction may temporarily become larger than the mass flow rate in the forward direction). The differential pressure at which the flow transitions to "is between 0.041 and 0.042 MPa.
Accordingly, it can be said that it is preferable that the differential pressure between the upstream side and the downstream side is greater than 0.002 MPa and less than 0.042 MPa as far as the above conditions are concerned.
なお、上記第二の実施の形態では、第二の室１１０を一段のみ設ける構成を例に示したが、もちろん、複数段に備える構成としてもよい。 In the second embodiment, the configuration in which only one stage of the second chamber 110 is provided has been described as an example, but it is needless to say that the configuration may be provided in a plurality of stages.
また、第一および第二の実施の形態において、各部の寸法、材質等は適宜変更して設定することが可能である。流体ダイオードとしての効率が高くなるよう、種々の条件に応じて適宜設定すればよい。
さらに、センサ１０は、上記入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６以外の構成は、上記に挙げた構成以外に適宜変更することが可能である。
加えて、上記したような流体ダイオードとしての構成は、センサ１０の入口側逆流防止部２５、出口側逆流防止部２６としてだけでなく、適宜他の用途にも用いることが可能である。取り扱う流体も、ガスに限らず、液体状態のものであってもよい。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
In the first and second embodiments, the dimensions, materials, and the like of each part can be appropriately changed and set. What is necessary is just to set suitably according to various conditions so that the efficiency as a fluid diode may become high.
Further, the sensor 10 can be appropriately changed in the configuration other than the above-described configuration except for the inlet side backflow prevention unit 25 and the outlet side backflow prevention unit 26.
In addition, the configuration as the fluid diode as described above can be used not only as the inlet-side backflow prevention unit 25 and the outlet-side backflow prevention unit 26 of the sensor 10 but also for other uses as appropriate. The fluid to be handled is not limited to gas but may be in a liquid state.
In addition to this, as long as it does not depart from the gist of the present invention, the configuration described in the above embodiment can be selected or changed to another configuration as appropriate.
１０…センサ（分子検出センサ）、２０…ポンプ（濃縮ポンプ）、２２…チャンバー部（チャンバー）、２３…入口側チャンネル、２４…出口側チャンネル、２５…入口側逆流防止部（ダイオード部）、２６…出口側逆流防止部（ダイオード部）、２９…ヒータ（体積変化発生部）、３０…吸着部、４０…ガスクロマトグラフィ部（分子量分析部）、５０…センサ部（分子認識部）、５２…振動子、６０…測定処理部（検出部）、７０…制御部、８０…基板、１００…第一の室、１１０…第二の室、１１０Ｆ…第二の室、１１０ａ…ノズル部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Sensor (molecular detection sensor), 20 ... Pump (concentration pump), 22 ... Chamber part (chamber), 23 ... Inlet side channel, 24 ... Outlet side channel, 25 ... Inlet side backflow prevention part (diode part), 26 ... outlet side backflow prevention part (diode part), 29 ... heater (volume change generation part), 30 ... adsorption part, 40 ... gas chromatography part (molecular weight analysis part), 50 ... sensor part (molecule recognition part), 52 ... vibration Child, 60 ... measurement processing unit (detection unit), 70 ... control unit, 80 ... substrate, 100 ... first chamber, 110 ... second chamber, 110F ... second chamber, 110a ... nozzle unit
Claims (11)
前記第一の室の他端において、前記第一の室の他端よりも小さな断面積のノズル部を介して前記第一の室に連通し、前記ノズル部側の一端から他端に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、
を備えることを特徴とする流体ダイオード。 A first chamber into which fluid is introduced from one end;
The other end of the first chamber communicates with the first chamber through a nozzle portion having a smaller cross-sectional area than the other end of the first chamber, from one end on the nozzle portion side toward the other end. A tapered second chamber whose cross-sectional area gradually increases,
A fluidic diode comprising:
前記他の第二の室の前記ノズル部は、前記第二の室の幅方向中心に対し、他方の側にオフセットして設けられていることを特徴とする請求項３に記載の流体ダイオード。 The nozzle portion of the second chamber is provided offset to one side with respect to the center in the width direction of the first chamber,
4. The fluid diode according to claim 3, wherein the nozzle portion of the other second chamber is provided offset to the other side with respect to the center in the width direction of the second chamber.
前記第一の室側と前記第二の室側との圧力差が、予め定められた範囲内で用いられることを特徴とする請求項１に記載の流体ダイオード。 The nozzle portion of the second chamber is provided at the center in the width direction of the first chamber,
The fluid diode according to claim 1, wherein a pressure difference between the first chamber side and the second chamber side is used within a predetermined range.
前記導入口から前記チャンバー内に導入された前記流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、
前記チャンバーの上流側と下流側の少なくとも一方に設けられ、前記体積変化発生部により前記流体に体積変化が生じたとき、前記導入口側から前記吐出口側に向かう方向に前記流体の流れ方向を規制するダイオード部と、を備え、
前記ダイオード部は、
前記流体の流れ方向上流側に設けられた第一の室と、
前記第一の室に対して前記流体の流れ方向下流側に設けられて、前記第一の室よりも小さな断面積のノズル部を介して前記第一の室に連通し、前記ノズル部側から前記流体の流れ方向下流側に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、を備えることを特徴とするポンプ。 A chamber provided in a fixed state and having a fluid inlet and outlet;
A volume change generating unit that causes a volume change in the fluid introduced into the chamber from the introduction port;
Provided on at least one of the upstream side and the downstream side of the chamber, and when the volume change occurs in the fluid by the volume change generator, the flow direction of the fluid is changed in the direction from the inlet side toward the outlet side. A diode part to regulate,
The diode part is
A first chamber provided upstream in the fluid flow direction;
Provided downstream of the first chamber in the fluid flow direction, communicated with the first chamber via a nozzle section having a smaller cross-sectional area than the first chamber, and from the nozzle section side. And a tapered second chamber whose cross-sectional area gradually increases toward the downstream side in the fluid flow direction.
前記濃縮ポンプで濃縮された前記流体に含まれる分子を吸着する吸着部と、
前記吸着部で吸着した前記分子のうち特定種の前記分子の付着または吸着により振動特性が変化することで前記分子を認識する分子認識部と、
前記分子認識部における振動の変化を検出することで、前記分子を検出する検出部と、を備え、
前記濃縮ポンプは、
固定状態で設けられ、流体の導入口と吐出口とを有したチャンバーと、
前記導入口から前記チャンバー内に導入された前記流体に体積変化を生じさせる体積変化発生部と、
前記チャンバーの上流側と下流側の少なくとも一方に設けられ、前記体積変化発生部により前記流体に体積変化が生じたとき、前記導入口側から前記吐出口側に向かう方向に前記流体の流れ方向を規制するダイオード部と、を備え、
前記ダイオード部は、
前記流体の流れ方向上流側に設けられた第一の室と、
前記第一の室に対して前記流体の流れ方向下流側に設けられて、前記第一の室よりも小さな断面積のノズル部を介して前記第一の室に連通し、前記ノズル部側から前記流体の流れ方向下流側に向けてその断面積が漸次拡大するテーパ状の第二の室と、を備えることを特徴とする分子検出センサ。 A concentration pump for sucking fluid from the outside and concentrating the fluid;
An adsorbing part that adsorbs molecules contained in the fluid concentrated by the concentration pump;
A molecular recognition unit for recognizing the molecule by changing vibration characteristics due to adhesion or adsorption of the specific type of the molecule adsorbed by the adsorption unit;
A detection unit for detecting the molecule by detecting a change in vibration in the molecule recognition unit, and
The concentration pump is
A chamber provided in a fixed state and having a fluid inlet and outlet;
A volume change generating unit that causes a volume change in the fluid introduced into the chamber from the introduction port;
Provided on at least one of the upstream side and the downstream side of the chamber, and when the volume change occurs in the fluid by the volume change generator, the flow direction of the fluid is changed in the direction from the inlet side toward the outlet side. A diode part to regulate,
The diode part is
A first chamber provided upstream in the fluid flow direction;
Provided downstream of the first chamber in the fluid flow direction, communicated with the first chamber via a nozzle section having a smaller cross-sectional area than the first chamber, and from the nozzle section side. A molecular detection sensor comprising: a tapered second chamber whose cross-sectional area gradually increases toward the downstream side in the fluid flow direction.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2008058370A JP2009216141A (en) | 2008-03-07 | 2008-03-07 | Fluid diode, pump, and molecule detecting sensor |
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| JP2008058370A JP2009216141A (en) | 2008-03-07 | 2008-03-07 | Fluid diode, pump, and molecule detecting sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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ID=41188211
Family Applications (1)
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| JP (1) | JP2009216141A (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2504668A (en) * | 2012-07-26 | 2014-02-12 | Atomjet Ltd | Micro Pump with valvular conduits |
| CN109970020A (en) * | 2018-12-03 | 2019-07-05 | 东南大学 | Micro-nano fluid diode apparatus |
-
2008
- 2008-03-07 JP JP2008058370A patent/JP2009216141A/en not_active Withdrawn
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB2504668A (en) * | 2012-07-26 | 2014-02-12 | Atomjet Ltd | Micro Pump with valvular conduits |
| US10018194B2 (en) | 2012-07-26 | 2018-07-10 | AtomJet Ltd. | Micro pumps |
| GB2504668B (en) * | 2012-07-26 | 2019-06-19 | Atomjet Ltd | Micro pumps |
| CN109970020A (en) * | 2018-12-03 | 2019-07-05 | 东南大学 | Micro-nano fluid diode apparatus |
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