JP2009543689A - 微小流体素子 - Google Patents

Abstract

本発明は、終端出口チャンネル（５）、及び、終端出口チャンネル（５）をマニフォールド（１）の末端（１１）に接続するビアホール（６）を持ったマニフォールドの配置（１）を具備する、微小流体素子に関する。終端出口チャンネル（５）とビアホール（６）とは協働して空気抜き口を形成する。ビアホールの形状は、ビアホールのマニフォールドに対する予想される位置合わせバラツキによらず、ビアホールがマニフォールドの末端に常に重なるような形状となっている。好適には、マニフォールドはほぼ長尺状の断面を持つことが望ましい。

Description

本発明は、微小流体素子に関する。

微小流体素子は、通常、１つ以上の微小流体素子に接続する、共通の供給あるいは帰還ダクトを具備する必要がある。複数の共通ダクトと複数の類似の素子が単一の層内に形成される場合には、デッドエンド及び流体速度が低い領域を形成されないような配置あるいは構成に製造される。しかしながら、多層ダクトを使用する場合には、より複雑な配置が必要となり、デッドエンドが形成されないようにすることはできない。

微小流体システムが、当初、作動流体（working fluid）で満たされているとき、デッドエンド及び低流体速度のデッドエンドと同等な領域に、空気あるいはその他のガスがシステム内にトラップされる。このような領域で流れが滞るので、トラップされた空気がシステムに流れ込む流体によって十分に取り去ることができない。このような空気のトラップは、微小流体システムを機能させるためには障害となる。

同様に、使用中あるいは使用前に微小流体システムのクリーニングが必要なとき、空気あるいはその他のガスは、適当なクリーニング液を使用して取り去られる。クリーニング液の流速が遅いため、デッドエンド及び低流体速度のデッドエンドと同等な領域は十分にクリーニングされず、さらに、クリーニング中に空気がトラップされた場合には、そのような領域は全くクリーニングされない。

微小流体素子ステムが作動流体で再度満たされたとき、クリーニング後にさらなる問題が発生する。如何なるクリーニング液も作動流体によって取り除かれる必要がある。特に、例えば、医薬品あるいは食品を処理する素子が使用される場合には、クリーニング液がシステムから完全にパージされるまでに、汚染された作動流体は廃棄される必要がある。低流速の領域があると、実質的なパージ時間が延び、その結果、廃棄する作動流体の量が多くなる。

図１は、微小流体素子１０の中実層を貫通して別の層にある複数のプロセス素子（図示しない）に連通するビアホール２を具備したマニフォールドダクト１が微小流体素子１０内に形成された、配置あるいは構成を示す概略図である。このように、作動流体は複数のプロセス素子の互いに平行な取入経路３に供給される。機械的制約によって、ホール２はマニフォールドダスト１の端部と重なってはならない。したがって、これらのビアホール２とマニフォールドダクト１との間の限界値を持つ位置合わせの許容誤差によって、マニフォールドダクトは最後のビアホール２を越えて伸延しなければならず、位置４にデッドエンドを形成することになる。

図１に示すように、通常、取入口は、閉じた端部の反対側にあるが、幾何学的な制約及びその他の制約によって、取入口が、マニフォールドの２つの端部の間に配置せざるを得ない場合もある。この場合には、２つの閉じた端部を持つことになる。

本発明は、取入口、マニフォールドの長さに沿って間隔を持った複数のプロセス出口、および、少なくとも１つの通常は閉じた端部を持った、細長いマニフォールドを具備した微小流体素子において、その１つあるいは複数の閉じた端部は、マニフォールドをパージできる空気抜き口を具備していることを特徴とするという１つの側面を持つ。

好適な実施態様において、その１つあるいは各々の空気抜き口は、１つのプロセス出口を貫通する流れの５％から１０％が流れるように寸法決めされており、特に、１つの空気抜き口を通る流れの約１０％周辺が好適である。

マニフォールドは、その断面がほぼ長尺形状であり、その１つあるいは各々の空気抜き口もまたほぼ長尺形状である。マニフォールドの断面に対するその１つあるいは各々の空気抜き口の寸法を選択的に決定することで、マニフォールドとその１つあるいは各々の空気抜き口を形成する製造過程で発生する位置合わせ誤差よりも、その寸法が大きくなるようにできる。このようにすることで、適当な重なりを常に得るようにすることができる。好適には、マニフォールドとその１つあるいは各々の空気抜き口は、特に、マニフォールドがフッ素樹脂あるいはシリコンの基板の中に形成されるとき、エッチングによって形成されることが望ましい。これに代えて、空気抜き口とマニフォールドは、鋳造成型（モールド）あるいはエンボス加工によって形成することもできる。

別の製造過程では、その１つあるいは各々の空気抜き口は、閉じた端部にプロセス出口を重ねることによって製造することもできる。

素子は、複数のマニフォールドを具備することもでき、複数の空気抜き口は、その複数の空気抜き口を通過する処理流体（process fluid）を再循環するための再循環経路に接続される、あるいは、接続可能にすることもできる。この実施態様は、素子が作動状態にあるときのみ適当である。

上記の配置あるいは構成において、いずれも、少なくとも１つの空気抜き口はバルブを持つことができる。

本発明を上記のように定義したが、本発明は上述したあるいは以下に記載する特徴の如何なる組み合わせからなる発明をも含むことは理解されるべきである。

微小流体素子１０の中実層を貫通して別の層にある複数のプロセス素子（図示しない）に連通するビアホール２を具備したマニフォールドダクト１が微小流体素子１０内に形成された、配置構成を示す概略図である。 空気抜き口を具備する微小流体素子のマニフォールドの概略図である。 図２の空気抜き口の形状と寸法を示す図である。 別の実施態様の、図２に対応する図である。

本発明はさまざまな方法で実施することができるが、例示として、図２から図４を参照して、具体的な実施態様を以下に説明する。

図２は、図１に示されたのと同一のマニフォールドの配置を持って、マニフォールド１の末端１１に終端出口５とビアホール６を追加したものを示している。終端取出チャネル５とビアホール６は、協働して空気抜き口を形成している。ビアホールの形状は、ビアホールとマニフォールドとの予想される位置合わせのバラツキによらず、ビアホールがマニフォールドの末端に常に重なるようになっている。このように、マニフォールドがほぼ長尺状の断面をなすときは、ビアホール６は、望ましい、ほぼ長尺状の断面とすることができる。

図３に示すように、ビアホール６の長さＬ及び幅Ｗは、それぞれ横方向及び縦方向のビアホール６とマニフォールド１との位置合わせ誤差の範囲よりも大きくなるように選択される必要がある。

終端取出チャネル５の寸法は、このチャネルを通過する流体の要求される流量を決定するように選択される必要がある。この選択される流量は、通常、１つのプロセスチャネル３（プロセス出口３）を通過する流れに対して小さい割合、例えば、１０％、に選択される。例えば、１つのマニフォールド１に接続された１００個のプロセスチャネル３がある場合、総流量の０．１％が終端取出チャネルを通過することになる。この状況では、空気がシステムからパージされたとき、通常使用される流体と比べて空気の粘性が非常に小さいため、終端取出チャネル５を通過する空気の流れは極端に速くなる。このような状況では、クリーニング液がシステムからパージされたとき、流体システムの中の複数のデッドスポットによどんだ空気を速やかにパージするためには、通常、総流量の０．１％の流れで十分である。同様の議論は、システムをクリーニング液でフラッシュする上記と異なるような場合にも適用できる。このようにすることで、終端取出チャネルを通して０．１％の処理流体を失うだけで、いくつもの空気抜きバルブを付加する煩わしさを伴うことなく、完全な自己パージ微小流体システムを形成することができる。しかしながら、処理流体が非常に高価な場合は、終端取出チャネルを通過する流れを制御するためにバルブを使用して、適当な処理中に、空気抜き（抽気）された流体をソースに再循環させることができる。

終端取出チャネルを通過する流体の損失を回避する、別の実施態様として、終端取出チャネルを実際に使用されている素子のチャネルとすること（実際に使用されている素子のチャネルを終端取出チャネルとして流用すること）ができる。この実施態様は、システムの詳細設計においてビアホールをマニフォールドの端部に重ねることができる場合、常に可能である。

このような配置を図４に示す。終端取出チャネルは、実際に使用されている素子のチャネルに置き換えられている。上述したように、ビアホールとマニフォールドとの間のすべての位置合わせ誤差の下で、ビアホール７はマニフォールドの端部に重なっている。

上記のすべての配置において、それ自身、流体流の中でよどみを生成する、角張った角を形成しないようにマニフォールド１の端部が丸められている場合には、さらに有利な効果を発揮する。

Claims (8)

1. 微小流体素子であって、
   取入口、前記微小流体素子の長さ方向に間隔を持った複数のプロセス出口、及び、少なくとも１つの通常閉じた端を有する細長いマニフォールドを含む、微小流体素子において、
   前記１つあるいは各々の閉じた端は、前記マニフォールドをパージすることのできる空気抜き口を具備することを特徴とする微小流体素子。
2. 前記１つあるいは各々の空気抜き口は、１つのプロセス出口を通過する流量の５％から１０％に対応する流量が流れるように寸法決めされている、請求項１に記載の微小流体素子。
3. 前記マニフォールドは、ほぼ長尺形状の断面を有し、前記１つあるいは各々の空気抜き口は、ほぼ長尺形状の断面を有する、請求項１あるいは請求項２のいずれか１つに記載の微小流体素子。
4. 前記１つあるいは各々の空気抜き口の寸法は、前記マニフォールドと前記１つあるいは各々の空気抜き口とを製造する過程で発生する位置合わせ誤差より大きい、請求項３に記載の微小流体素子。
5. 前記マニフォールドは、シリコンフッ素樹脂基板からなり、前記マニフォールドと前記１つあるいは各々の空気抜き口とがエッチング、モールド、あるいは、エンボス加工によって形成される、請求項４に記載の微小流体素子。
6. 前記１つあるいは各々の空気抜き口は、前記閉じた端に重なるプロセス出口によって形成される、請求項１に記載の微小流体素子。
7. 前記マニフォールドは複数であって、前記空気抜き口は、前記空気抜き口を通過するプロセス流体を再循環する再循環経路に接続されている、あるいは、接続可能である、請求項１乃至請求項５のいずれか１つに記載の微小流体素子。
8. 少なくとも１つの前記空気抜き口はバルブを備えた、請求項１乃至請求項７のいずれか１つに記載の微小流体素子。

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