JP2020525269A - 液滴および/または気泡生成器 - Google Patents
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Abstract
Description
- 第1の圧縮相を含む空洞と、
- 第2の相の少なくとも1つの入力毛細管と、
- 少なくとも1つの入力毛細管と同軸上に整列された出力毛細管とを備え、
少なくとも1つの入力毛細管の先端の開口部は出力毛細管の内径の半分より小さい内径を有し、空洞は出力毛細管の断面の表面の少なくとも2倍(好ましくは4倍)の出力毛細管に垂直な断面を備えることを特徴とする。
Aは流れの断面積であり、
Pは、断面のぬれ縁である。
円筒形チャネルの場合、水力直径は幾何学的直径に等しい。
- 本発明によるデバイスを提供するステップと、
- 流量Qcで第1の相(連続相)を空洞に送り込むステップと、
- 流量Qdで第2の相(分散または液滴相)を入力毛細管に送り込むステップと、
- 第1の相内に分散された第2の相の液滴の生成されたエマルジョンを捕集するステップとを含む。
1.出力または捕集器毛細管
2.第2の(すなわち、分散)相の液滴
3.第1の(すなわち、連続)連続相の流れ
4.入力毛細管の先端にあるノズル
5.空洞壁
6.入力毛細管
7.空洞
9.制御ユニット
10.出力毛細管バルクヘッド
11.追加の空洞アクセス部(一般的に閉じたバルクヘッド)
12.分散相入力毛細管バルクヘッド
13.分散相入力流動抵抗手段
14.分散相入力流量計
15.分散相入力管
16.分散相密封容器
17.圧力入力管
18.分散相のための圧力調節ユニット
19.連続相入力に対するバルクヘッド
20.連続相入力管
21.連続相流動抵抗手段
22.連続相流量計
23.連続相容器
24.連続相に対する加圧管
25.連続相のための圧力調節ユニット
26.出力管
27.エマルジョン
28.窓
29.カメラ
図2に示されているノズル4は、3Dプリンタを使用してプリントされたものである。UV重合材料は、電子機器において広く使用されているSU-8に類似する感光性樹脂であり、これは、大半の油および溶媒に対する非常に優れた耐性を確実にする。ノズルの内側幾何学的形状は、動作時に漏出も詰まりも生じることなく、容易に導入し、次いで毛細管を接着剤で接着することを確実にするように設計されている。その目的のために、ステップ形状の幾何学的形状が使用される。内側断面は、ノズル入口から円錐形部分の基部まで1ステップずつ減少する。それによって、毛細管は、円錐基部の両方の部分の間のギャップを最小にしながらノズルの円筒形部分の端部に容易に導入できる。これは、一方では接着プロセスの間に接着剤が毛細管の中に到達しないようにし、他方では、毛細管がノズル軸と完全に整列されるようにする。3Dプリンティングされた単一エマルジョンノズルの典型的なサイズおよび幾何学的形状は図4に示されている。
前に述べたように、2つの毛細管1、6は本発明のデバイスの一部であり、一方がその端部でノズル4を支持し、分散相を運び、他方1は液滴捕集用であり、図3に示されているとおりである。これらは、好ましくは、液滴を目またはカメラの観察のために見えるようにする20μmのポリイミド透明フィルムでコーティングされた溶融シリカから作られる。
図5は例のデバイスの機械部品の全体的画像を示している。
このモデルは、システム内の流量と液滴直径との間の関係を確定することを目的とするものである。これは、デバイス内のキャリブレーション済み液滴(または気泡)の生成に対する初期作業パラメータを決定するための予測ツールとして使用される。このモデルは、有利には、閉ループ調節システムを使用することによって液滴サイズを調節するために使用され、カメラ29に接続されているコントローラユニット9が液滴直径を決定し、前記コントローラユニット9に接続されている圧力コントローラ18、25によって相に印加される圧力を修正する。
Fμ=6πμc(R-a)(vc-vd) (1)
Rは液滴半径であり、aはノズル先端の半径であり、μcは連続相の粘度であり、vcは連続相の速度であり、vdは分散相の速度である(図7を参照)。R-aの項は、ノズル先端の断面が粘性力から増大する液滴の部分を遮蔽するように働くという事実を反映している。速度vcおよびvdは、システム内の流量およびその関連付けられている断面積から推定される。両方の相に対する断面積は液滴の半径Rが増大することにより可変であることに留意されたい。このことを考慮すると、速度は、
Fγ=2παγ (2)
であり、
γは連続相と分散相との間の界面張力であり、これは付着した液滴の形状が細長であるとした場合に縦方向に施されると仮定される。
Fμ+Fρ=Fγα (3)
などの力平衡に対する式に補正係数αが加えられる。
支配的な粘性力
ここで
αを決定するために、式5は
項Aは幾何学的パラメータを含む。次いで、log(A)は実験から出て来るデータを使用してlog(Cα)に対してプロットされる。図8に示されているように、実験データは、α=0.08およびα=0.2に対応する両方の直線の間に配置される。次いで、臨界キャピラリ数に対する平均値、α=0.12を仮定すると、液滴直径2Rは連続相流量Qcの関数としてプロットされる(図9)。
ここで、
この節では、所望の連続相流量を得るために連続相に加わる圧力を予測する電気回路のアナロジー(または集中化モデル)が提案されている。このモデルは、一方のチャネル上で修正された圧力が他方のチャネル上の流量に影響を及ぼすことを回避するために回路内で使用されるべき流動抵抗値を提供することもできる。言い換えると、正しい流動抵抗を使用することで、結果として、2つのチャネル内で独立した流量が得られる。
P=QR (8)
などの、オームの法則に類似している。
Liは管長であり、diは管口径であり、ΔPiはLiにわたって生じる圧力低下であり、次いで、(このモデルではコネクタにおけるΔPは無視される)
実施例の液滴生成に対する設備は、図12に示されている。液滴形成を見るために高速カメラ29および顕微鏡システムが典型的には使用される。液滴サイズおよび液滴生成速度を推定するためにビデオが記録され、その後分析される。各流体の流れは、各流体を駆動するために管17、24を通して注入される圧縮空気を使用する圧力コントローラ18、25によって駆動される。流量計14、22と併せて、圧力コントローラ18、25は、非常に短い応答時間および脈動のない液体流により両方の流量を微調整することを可能にするが、これは単分散性を達成するために有利である。各チャネル内で、流量は圧力に比例し、流動抵抗に反比例する。これらの抵抗は、以前に開発された予測モデルを使用して設計され、ノズル先端のところの圧力を均一にするために設備に加えられ、これにより、逆流を回避し、両方のチャネルの間に干渉がないことを確実にする。言い換えると、両方の相の流量が劇的に異なる場合、典型的には10:1の比であっても、動作圧力は類似した圧力でなければならない。その要求条件は、抵抗の選択を通じて満たされる。最後に、抵抗は動作範囲を広げるのにも役立ち、それにより流量比はより正確な制御で調整することができる。
1、6 毛細管
2 液滴/気泡
4 注入ノズル
7 空洞
9 コントローラユニット
10、12 接続システム
11、19 接続部
14、22 流量計
17、24 管
18、25 圧力コントローラ
28 窓
29 カメラ
Claims (12)
- 気泡または液滴を生成するためのデバイスであって、
- 第1の圧縮相を含む空洞(7)と、
- 第2の相の少なくとも1つの入力毛細管(6)と、
- 前記少なくとも1つの入力毛細管(6)と同軸上に整列された出力毛細管(1)と、
を備え、
前記少なくとも1つの入力毛細管(6)の先端(4)の開口部は前記出力毛細管(1)の内径の半分より小さい内径を有し、
前記空洞(7)の断面は、使用時に、前記空洞内の平均速度場が準静的になるように選択されることを特徴とするデバイス。 - 第1の相の貯槽(23)に接続されている第1の相入力管(20)を備え、
前記貯槽(23)内の圧力は第1の圧力調節器(25)によって調節される、請求項1に記載のデバイス。 - 前記第1の相入力管(20)は、流れを測定するための手段(22)を備える、請求項2に記載のデバイス。
- 第2の相の貯槽(16)に接続されている第2の相入力管(15)を備え、
前記貯槽(16)内の圧力は第2の圧力調節器(18)によって調節される、請求項1から3のいずれか一項に記載のデバイス。 - 前記第2の相入力管(15)は、流れを測定するための手段(14)を備える、請求項4に記載のデバイス。
- 使用時に、前記出力毛細管(1)内の前記デバイスによって生成される液滴(2)を観察するための手段(29)を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記液滴(2)を観察するための手段に接続されている制御ユニット(9)を備え、
前記制御ユニット(9)は前記液滴の直径を決定し、所定の値に従って前記第1の圧縮相の圧力および前記第2の相の圧力を制御し前記液滴(2)の直径を調節する、請求項6に記載のデバイス。 - 前記空洞(7)は、温度調節手段を備える、請求項1から7のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記入力毛細管(6)の前記先端は、微細加工または3Dマイクロプリンティングによって得られるノズルを備える、請求項1から8のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記入力毛細管は、タイプABCの複合エマルジョンを生成するための少なくとも2つの同軸毛細管を備える、請求項1から9のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記液滴の直径は、前記入力毛細管(6)の前記先端の前記出力の直径より少なくとも2倍大きい、請求項1から10のいずれか一項に記載のデバイスを使用する方法。
- 前記入力毛細管の流量Qd、および連続相の流量Qcは、システムが滴りレジームにおいて動作するように選択される、請求項11に記載のデバイスを使用する方法。
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