JP4693905B2

JP4693905B2 - 流れシステム及び流れシステムを備えたマイクロ流体システム

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Publication number: JP4693905B2
Application number: JP2008536930A
Authority: JP
Inventors: ディラック，ホルガー; グラヴェセン，ピーター; シュヴァイツ，カスパー・オクタヴィオ
Original assignee: セクア・エスアー
Priority date: 2005-10-24
Filing date: 2006-10-24
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2026-10-24
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Description

本発明は、流れシステム、特にマイクロ流体システムに使用するためのものに関する。本発明の流れシステムは、従来技術の流れシステムの流れ抵抗より温度に敏感でない流れ抵抗を有する。

流れシステム、特に制流子を伴う流れシステムは、流体システムの、特にマイクロ流体システムの流れ率を正確に制御するために使用されている。これは、たとえば定圧ポンプの使用によって実現することができる。流れシステムの流れ抵抗は、その流れシステム内において移送されている流体の粘性に線形に依存する。しかしながら流体の粘性は、温度に伴って有意に変動する。たとえば水の場合、温度が２０℃から３０℃まで上昇すると、粘性が℃当たり平均で２．３％減少する。さらにこの変動は、通常、非線形であり、したがって制御又は補償が困難である。したがって流れシステムの流れ抵抗は、温度とともに有意に、かつ非線形に変動し、高い精度で一定の流れ率を得るためには、したがって温度を少なくとも実質的に一定に保つことが必要になる。

たとえば流れシステムが、薬物送給システム又は高精度流体分析装置、たとえば血液標本内の血糖濃度を測定するための装置等の体液を分析するための医療デバイスの一部となるか、それを形成するときに、高精度の一定の流れ率が望ましい。その種の装置は、使用の時間と場所とは無関係に信頼があり、かつ一貫した動作が得られる必要がある。流れシステムがポータブルである場合、たとえば血糖測定装置の場合が考えられるが、ユーザが多様な温度の環境、たとえば屋内をはじめ戸外でも、年を通じいろいろな時期等にその使用を考慮に入れる可能性は極めて高い。したがって、装置内の流れシステムの流れ抵抗が温度に伴って有意に変動することは非常に望ましくない。

特許文献１は、流体のインレット通路とアウトレット通路を伴うボディ・ピース、及び中間流体チャンバを有する感温性の流体流れレギュレータを述べている。エラストマ部材がボディ・ピース内に配置され、その中に閉じ込められており、アウトレットと整列するオリフィスを有する。この部材は温度変化に応答し、拘束部材がそれを、温度の上昇がオリフィスのサイズを減じさせ、したがってレギュレータを通る流体の流れを制御するように閉じ込める。レギュレータを通る流れをさらに制御するために調節可能ニードルも使用される。

エラストマ部材は中心を有し、かつそこを通って延びる円形に形作られたオリフィスを有し、オリフィスは、流れがボディ・ピースのチャンバからエラストマ部材を通り、さらにボディ・ピースのアウトレットを通るようにボディ・ピースのアウトレットと整列され、したがって流体流れ連通状態にある。

エラストマ部材は、ユニットを通って流れる流体内の温度の上昇に応答して自由に膨張し、かつエラストマ部材は、上で触れた温度の上昇に応答して膨張する特性の部材である。したがって流体の温度が上昇するとき、エラストマ部材に関して唯一可能な膨張が、その中心に向けてエラストマ部材を膨張させることになり、それによってオリフィスが減少し、したがってエラストマ部材を通過する流体の流れのレギュレーション又は減少が生じる。

しかしながらこのシステムは、調節可能ニードルのような機械的な可動部品が望ましくないマイクロ流体システムに容易には適用できない。システムを所望の流れ抵抗／温度関係に較正する別の方法が必要とされている。

米国特許第３，９７７，６００号

したがって、従来技術の流れシステムより温度に敏感でなく、かつ所望の流れ抵抗／温度関係に対するシステムの較正がシステム内に受動的に組み込まれる流れシステムを提供することを本発明の目的とする。

さらに、指定温度区間の少なくとも内側において、周囲温度と少なくとも実質的に独立である流れ抵抗を有する流れシステムを提供することを本発明の目的とする。

さらにまた、信頼性があり、少なくとも実質的に一定の流れ率とすることができる流れシステムを提供することを本発明の目的とする。

さらにまた、周囲温度の制御を必要とすることなく、少なくとも実質的に一定の流れ率とすることができるマイクロ流体システムを提供することを本発明の目的とする。

本発明の第１の態様によれば、上記の、及びそのほかの目的が、
第１の熱膨張係数を有する第１の材料から作られ、その中に形成された少なくとも１つの流れチャンネルを有する第１の部分と、
前記第１の熱膨張係数と異なる第２の熱膨張係数を有する第２の材料から作られた第２の部分と、
を備え、
周囲温度の変化に応答して、流れチャンネル内に対応する変化を生じさせるために第１の部分と第２の部分を協働させるように、第１の部分と第２の部分を互いに関連させて配置し、それによって少なくとも１つの流れチャンネルの少なくとも１つのセクションの流れ抵抗を、少なくとも指定温度範囲内において少なくとも実質的に周囲温度から独立にする流れシステムを提供することによって達成される。

第１の部分は、その中に形成された少なくとも１つの流れチャンネルを有する。少なくとも１つの流れチャンネルは、第１の部分の外側領域内に形成される。それを、第１の部分の外側面内に形成された溝としてもよい。それに代えて、又はそれに加えて、少なくとも１つの流れチャンネルが、第１の部分の内側領域内に形成される。この場合、その流れチャンネルを、第１の部分内におけるチャンネルのドリリングによって形成できる。それに代えて、また好ましくは、同一材料から作られた２又はそれより多くのセクション、すなわち溝として外側面内に形成された流れチャンネルを有する１つのセクションと、その溝に蓋を形成した別のセクションとを有するように第１の部分が形成されてもよい。

第１の部分と第２の部分は、周囲温度の変化に応答して第１と第２の部分が協働して流れチャンネル内に対応する変化を生じさせるように互いに関して配置される。上で述べたとおり、流体の粘性は、通常、周囲温度の上昇に従って減少し、その逆も言える。したがって、周囲温度の変化に伴って流体が移送されている流れチャンネルの流れ抵抗が変化することになる。本発明によれば、流れ抵抗におけるこの変化が、第１と第２の材料を適切な態様で選択することにより、また第１と第２の部分を適切な態様で互いに関して設計し、かつ配置され、その結果として流れチャンネルの少なくとも１つのセクションに対する物理的な変化を獲得し、それにより少なくともその／それらのセクションの流れ抵抗に変化を生じさせることによって、相殺される。この変化が、流体の粘性における変化によって引き起こされた流れ抵抗内の変化を少なくとも実質的に相殺する。それによって、結果として得られる流れシステムの流れ抵抗が、少なくとも実質的に周囲温度と独立になる。これは、少なくとも指定温度範囲内において周囲温度とは無関係に流れシステムの流れ抵抗を少なくとも実質的に一定に維持できるようにするために非常に有利である。所望の流れ抵抗が、それによって周囲温度の制御を必要とすることなく獲得され、それによって前述した問題の緩和が可能になる。

セクションは、流れチャンネルの、より小さい、又はより大きな部分からなる。１つの実施態様においては、流れシステムが１つの流れチャンネルだけを含んでもよく、完全な流れチャンネルをセクションとすることができる。

１つの実施態様においては、第１の熱膨張係数を第２の熱膨張係数より高くできる。この場合に、第１と第２の部分を、互いに関して、第２の部分が第１の部分の熱膨張を少なくとも１つの方向において制限するように配置できる。

この場合においては、周囲温度の変化に従って、第１の部分が第２の部分より膨張又は収縮することになる。したがって、第１と第２の部分を、周囲温度が上昇するときには第１の部分の材料が流れチャンネル内に押し出され、周囲温度が低下するときには流れチャンネルから引き込まれるような方法で第２の部分が第１の部分の熱膨張を制限するように互いに関して好適に配置できる。それによって流れチャンネルの断面のサイズ及び／又は流れチャンネルの断面の外側輪郭の形状が変化することになり、したがって周囲温度が上昇／低下するとき、流れチャンネルの流れ抵抗が増加／減少する。

第１の熱膨張係数と第２の熱膨張係数の間の差は充分に大きく、第２の部分の熱膨張係数が第１の部分の熱膨張係数と比較したときに無視可能であることを保証する。この実施態様においては、周囲温度が上昇するときに第２の部分が膨張しないが第１の部分は膨張し、したがって第２の部分が第１の部分に対して相対的に配置される方向において第２の部分が第１の部分の熱膨張を効率的に制限できると考えることができる。

第１の材料は、限定ではないがポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタラートグリコール（ＰＥＴＧ）、サイクリックオレフィン共重合体（ＣＯＣ）、及び／又はそのほかの任意の適切な高分子材料を含む高分子材料を含むことができる。

第２の材料は、限定ではないがシリコン、アルミニウム、銅、及び／又はそのほかの任意の適切な金属及び／又は半導体を含む金属及び／又は半導体を含むことができる。

それに代えて、又はそれに加えて、第１と第２の材料は、熱膨張係数に関して適切な性質を有するそのほかの任意の適切な材料を含むことができる。

上記に代えて第２の熱膨張係数を第１の熱膨張係数より高くし、第１と第２の部分を互いに関して、第１の部分が少なくとも１つの方向において第２の部分の熱膨張を制限する方法で配置することもできる。この場合においては、第２の材料が高分子材料を備え、かつ／又は第１の材料が金属及び／又は半導体を含むことができる。前述した材料は、この場合においても適したものとなる。

第１の部分及び／又は第２の部分は、さらに１つ又は複数の追加のチャンネルを備えてもよく、前記追加のチャンネルは、それ／それらが流れチャンネル内に対応する変化を生じさせる際に第１と第２の部分と協働するように配置される。この実施態様においては、追加のチャンネルが、周囲温度が上昇し、それに応じて第１と第２の部分が膨張するとき、追加のチャンネル内に一部の材料が入ることを可能にするサイズ、形状、位置を有するのが好ましい。それにより、流れチャンネル内に押し出される材料の量を低減できる。したがって、追加のチャンネルのサイズ、形状、位置を適切に選択し、第１と第２の材料の熱膨張係数をはじめ流れチャンネルのサイズ、形状、位置を充分に考慮することによって、周囲温度が上昇したときに流れチャンネル内に入る材料の量を制御することが可能になり、それによって結果として得られる流れ抵抗の増加を制御することが可能になる。

流れチャンネル内の対応する変化は、流れチャンネルのうちの少なくとも１つの断面積における変化及び／又は流れチャンネルのうちの少なくとも１つの形状における変化を含むことができる。これは、すでに上で述べた。

指定温度区間は、流れシステムが使用できる温度を含むのが好ましい。したがって、流れシステムが使用される室温／屋内温度をはじめ戸外の温度等の通常の状態で経験される温度を含むのが好ましい。したがって指定温度範囲を−１５℃から５０℃までとすること、たとえば０℃から３０℃まで、たとえば１０℃から２５℃まで、又はそのほかの任意の適切な温度区間とすることができる。

少なくとも流れチャンネルの少なくとも１つのセクションを流れを制限するようにするか、又は流れ制限を含むようにする。これは、たとえば毛管又は別の、管の残りの部分より小さい断面積を伴うセクションを有する管の類の形式とすることができる。その種の流れ制限は、好適にチャンネルの形式になり、流れシステムの部分を形成する。流れ制限は、方形、矩形、三角形、円、楕円、又はそのほかの適切な形状の断面を含めた適切なジオメトリを有することができる。

第１の熱膨張係数及び／又は第２の熱膨張係数は、℃当たり１０^-5から℃当たり１０^-4までの範囲内を含む、℃当たり１０^-6から℃当たり１０^-3までの範囲内とすることができる。しかしながら前述したとおり、所望の効果を獲得するために、第１の熱膨張係数と第２の熱膨張係数は、同一でなく、さらには類似でもない必要がある。第１又は第２の材料がＢＡＳＦによって製造されているＰＳ１５８Ｋといて知られるポリスチレン材料である場合には、熱膨張係数が℃当たり約０．８×１０^-4になる。

本発明の第２の態様によれば、上記の、及びそのほかの目的が、インレット開口、アウトレット開口、本発明の第１の態様に従った少なくとも１つの流れシステムを備えたマイクロ流体システムを提供することによって満たされる。

注意を要するが、当業者であれば、本発明の第１の態様に関連して述べた任意の特徴が本発明の第２の態様と結合できること、及びその逆が可能であることを容易に認識するであろう。

これに関連して、用語「マイクロ流体システム」は、充分に小さい寸法を有し、システム内に流れる流体内の乱れを少なくとも実質的に防止するシステムを意味すると解釈されるべきである。

マイクロ流体システムは、たとえば体液のパラメータ、たとえば血液標本内の血糖濃度を測定するためのデバイスといった流体分析デバイス、たとえば医療デバイスの一部となるか、それを形成することができる。この場合においては、マイクロ流体システムの流れ抵抗が、少なくとも指定温度区間内において周囲温度と少なくとも実質的に独立であることが、それによって周囲温度が変化する場合であってもデバイスが信頼できる一貫した態様で動作することが保証されるために非常に望ましい。

それに代わるものとして、マイクロ流体システムが、輸液システム又は薬物送給システム、たとえばインスリン・ポンプ・デバイスであるか、又はその一部を形成することもある。

以下、付随する図面を参照して本発明をさらに説明する。

図１は、本発明の実施形態に従った流れシステム１の断面図である。図１の流れシステム１は、第１の部分２と第２の部分３を含む。第１の部分２は、第２の部分３の凹部内に配置されており、それによって第２の部分３は、断面の３つの辺に沿って第１の部分２と隣接している。第１の部分２は、その中に形成された流れチャンネル４を有する。さらに、流れチャンネル４の位置に関連した位置に、追加のチャンネル５が形成されている。

第１の部分２を構成する材料は、第２の部分３を構成する材料の熱膨張係数より高い熱膨張係数を有する。したがって、周囲温度が上昇するとき、第１の部分２は、第２の部分３のない状態においては第２の部分３より余分に膨張する。それらの熱膨張係数の間の差は、第２の部分３の熱膨張が、分離された状態の第１の部分２の熱膨張と比較して無視でき、したがって第２の部分３が周囲温度の上昇時に膨張しないと仮定できるように選択される。かくして、第１の部分２の材料は、第２の部分３が第１の部分２と隣接する方向においては膨張できない。その結果として第１の部分２内に蓄積される熱応力によって、流れチャンネル４と追加のチャンネル５を狭める結果となる。それによって、流れチャンネル４の外側の輪郭のサイズ及び／又は形状が、流れチャンネル４の流れ抵抗を増加するように変更される。

流れチャンネル４の初期サイズ／形状、第１の部分２と第２の部分３の熱膨張係数をはじめ、流れシステム１が使用される可能性がもっとも大きい温度区間がわかれば、追加のチャンネル５のサイズ、形状、位置を、前述したとおりに第１の部分２の熱膨張によって生じる流れ抵抗の増加が、流れシステム１によって移送されている流体の温度上昇によって生じる流れ抵抗の減少と少なくとも実質的に平衡するように設計することが可能になる。それによって、周囲温度が変化する場合であっても結果としてもたらされる流れチャンネル４の流れ抵抗が少なくとも実質的に一定となる。

図１の例においては、第１の部分２の熱膨張によって引き起こされる流れチャンネル４の流れ抵抗の増加に、２つの効果が寄与している。第１の部分２の本体材料、すなわち流れチャンネル４／追加のチャンネル５の両側及びそれらと第２の部分３の間に位置する材料が、流れチャンネル４と追加のチャンネル５の中に押し込まれ、それによってチャンネル４、５の幅を狭くする。さらに、流れチャンネル４と追加のチャンネル５の間にある材料が流れチャンネル４及び／又は追加のチャンネル５の中に曲がり、又は広がり、それによって流れチャンネル４の高さを減少させる。多くの場合、それら２つのうち、第１の部分２の本体材料によって引き起こされる効果の方がより有意である。しかしながら流れチャンネル４の寸法が、流れチャンネル４の幅が流れチャンネル４の高さよりはるかに大きくなるようなものである場合には、流れチャンネル４と追加のチャンネル５の間に存在する材料によって引き起こされる流れチャンネル４の高さの減少が、流れチャンネル４の流れ抵抗における増加に対してもっとも有意に寄与する。

したがって、図１に示されている例においては、流れチャンネル４の下側の辺と追加のチャンネル５の上側の辺の間の距離が重要なパラメータとなる。この距離、したがってこの領域に存在する材料の「厚さ」が、周囲温度の上昇に伴って、その領域が本体材料によってどの程度圧迫されるか、及びそれによって流れチャンネル４の幅がどの程度減少させられるかを決定するからである。追加のチャンネル５の深さが増加する場合（すなわち、流れチャンネル４と追加のチャンネル５の間の距離が減少される）、この領域がより容易に圧縮され、流れチャンネル４の幅の減少がより大きくなり、それによって流れ抵抗における増加がより大きくなる。したがって、追加のチャンネル５の深さが増加する場合には、熱膨張によって引き起こされる流れ抵抗における変化がより温度に敏感になる。同様に、追加のチャンネル５の深さが減少する場合には、流れ抵抗における変化がより温度に敏感でなくなる。したがって、追加のチャンネル５（をはじめ、流れチャンネル）について適切な寸法を選択することによって、結果として得られる流れ抵抗における変化が、流れチャンネル４内において移送されている流体の粘性の変化によって引き起こされる流れ抵抗の変化と平衡させることが可能になる。

図２は、本発明の別の実施形態に従った流れシステム１の断面図である。図２の流れシステム１もまた、第１の部分２と第２の部分３を含む。第１の部分２は、その中に形成された流れチャンネル４を有する。図２の実施形態においては、第２の部分３が第１の部分２の１つの辺に隣接して配置され、かつ第１の部分２の中に形成された凹部の内で位置決めされている。

第１の部分２を構成する材料は、第２の部分３を構成する材料の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する。熱膨張係数における差は、周囲温度が特定の温度区間内において変化するとき、第１の部分２の熱膨張が、分離された状態の第２の部分３の熱膨張と比較して無視できるとするに充分な値である。したがって、第１の部分２は熱膨張を受けることがなく、それによって前述の状況と類似であるが第１の部分２と第２の部分３の「役割」が逆転して第１の部分２が第２の部分３の材料の膨張を制限する。

周囲温度が上昇すると、第２の部分３の材料が膨張しようとする。しかしながらこの膨張は、第１の部分２によって制限される。第１の部分２の凹部内に位置決めされている第２の部分３の部分６の材料が、横向きに膨張し、それによって第１の部分２内の、少なくとも流れチャンネル４近傍のエリア内に応力を導入する。これが、第１の部分２の幅を増加させ、その結果として、弾性理論によって記述されるとおりに第１の部分２の高さが減少する。それによって、流れチャンネル４の幅が増加され、流れチャンネル４の高さが減少する。流れチャンネル４の寸法におけるこの変化は、流れチャンネル４の流れ抵抗における増加を引き起こすことになる。注意する必要があるが、この効果をもたらすためには、第１の部分２内の凹部が流れチャンネル４に充分に近く位置決めされ、部分６の横向きの膨張が流れチャンネル４の近傍の領域に伝達されることを保証する必要がある。

さらに、部分６の材料は、第２の部分３の残りの部分に起因して下向き方向の膨張が妨げられている。その結果として、部分６からの材料が、部分６と流れチャンネル４の間に存在する第１の部分２からの材料を流れチャンネル４内に押し、それによって流れチャンネル４の高さをさらに減少させる。しかしながらほとんど場合は、この効果は、上述した効果よりかなり少ない。

図１に示されている実施形態の場合と同様に、流れチャンネル４のサイズ、形状、位置及び第２の部分３の部分６が入る第１の部分２の凹部のサイズ、形状、位置を、流れ抵抗の増加が、流れシステム１によって移送されている流体の温度上昇に起因する流れ抵抗の減少と少なくとも実質的に平衡するように設計することが可能である。したがって、凹部と流れチャンネル４の間の適切な距離を単に選択することだけによって、所望のレベルに流れ抵抗の増加を調整できる。

図３は、本発明のさらに別の実施形態に従った流れシステム１の断面図である。流れシステム１は、第１の部分２と第２の部分３を含む。第１の部分２は、その中に形成された流れチャンネル４を有する。図３に示されている実施形態は、図２の実施形態と非常に類似しており、したがって上に示した所見がこの場合にも等しく適用できる。しかしながら図３の実施形態は、第２の部分３が第１の部分２の凹部内にだけ配置されており、言い替えると第１の部分２の辺の１つに隣接していない。これは、第２の部分３の下向き方向の膨張を可能にするという効果を有する。その結果として、第２の部分３の材料の熱膨張に起因して第１の部分２から流れチャンネル４内に押される材料の量が、図２の場合より少なくなる。

図４は、本発明のさらに別の実施形態に従った流れシステム１の断面図である。流れシステム１は、中に流れチャンネル４が形成された第１の部分２と第２の部分３を含む。図２及び３の実施形態の場合と同様に、第１の部分２の材料は、第２の部分３の材料の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する。

図４の実施形態においては、第２の部分３が２つの別々の部分３ａ、３ｂから形成され、それぞれが第１の部分２内に形成された凹部内に配置される。周囲温度が上昇すると、第２の部分３の材料が膨張しようとするが、この膨張は、第１の部分２によって制限される。したがって、部分３ａ、３ｂの横向き方向の膨張が、結果として第１の部分２の幅の増加と第１の部分２の高さにおける対応する減少をもたらすことになる。これもまた、流れチャンネル４の幅における増加と流れチャンネル４の高さにおける減少に帰する。その結果、流れチャンネル４の流れ抵抗が増加する。これは、基本的に図３の例と同じメカニズムである。しかしながら流れチャンネル４の寸法に対する影響は、この場合の方が小さくなろう。

図１〜３に示されている実施形態の場合と同様に、流れチャンネル４のサイズ、形状、位置及び部分３ａ、３ｂのサイズ、形状、位置を選択することによって流れ抵抗の増加を調整することが可能であり、それによって流れ抵抗の増加を、流れシステム１によって移送されている流体の温度上昇に起因する流れ抵抗の減少と少なくとも実質的に平衡するように調整できる。図４の実施形態においては、このことについての重要な設計パラメータが２つの部分３ａ、３ｂの間の距離と、部分３ａ、３ｂが入る第１の部分２の凹部の深さと幅である。

図５は、本発明のさらに別の実施形態に従った流れシステム１の断面図である。流れシステム１は、中に流れチャンネル４が形成された第１の部分２と第２の部分３を含む。図２〜４の実施形態の場合と同様に、第１の部分２の材料は、第２の部分３の材料の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する。

図５の実施形態においては、流れチャンネル４が形成されている第１の部分２の辺に第２の部分３が接触している。したがって、流れチャンネル４の１つの側壁が第２の部分３によって形成される。周囲温度が上昇し、したがって第２の部分３が膨張すると、横向き方向にそれが膨張する。第２の部分３の横向きの膨張は、第１の部分２の材料を引き伸ばし、それにより少なくとも流れチャンネル４の近傍の領域において第１の部分２の幅の増加と第１の部分２の高さにおける対応する減少を引き起こす。上で述べたことと同様に、それによって流れチャンネル４の幅が増加し、流れチャンネル４の高さが減少する。流れチャンネル４について適切な寸法を選択することによって、たとえば流れチャンネル４の幅を流れチャンネル４の高さよりはるかに大きくすることによって、寸法的な変化の結果として流れチャンネル４の流れ抵抗が増加する。

図６は、本発明のさらに別の実施形態に従った流れシステム１の断面図である。流れシステム１は、中に流れチャンネル４が形成された第１の部分２と第２の部分３を含む。図２〜５の実施形態の場合と同様に、第１の部分２の材料は、第２の部分３の材料の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する。

図６の実施形態は、図５の実施形態と非常に類似しており、したがって上に示した所見がこの場合にも等しく適用できる。しかしながら図６の実施形態においては、第２の部分３に２つの凹部又は孔７ａ、７ｂが備えられる。したがって図６の実施形態においては、第２の部分３の材料が、少なくとも部分的に凹部７ａ、７ｂ内に膨張することが許される。それによって、全体の複合物内に蓄積される熱応力がかなりの反りを導くことが、少なくともある程度まで回避される。

図７は、本発明のさらに別の実施形態に従った流れシステム１の断面図である。流れシステム１は、中に流れチャンネル４が形成された第１の部分２と第２の部分３を含む。図７に示されている実施形態においては、第１の部分２を構成する材料が、第２の部分３を構成する材料の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する。

図７に示されている実施形態においては、第２の部分３が、第１の部分２内の、流れチャンネル４と直接隣接する位置に形成された凹部の中に配置されている。周囲温度が上昇すると、第２の部分３は、第１の部分２に向かう方向に膨張できない。第２の部分３の材料は、それによって流れチャンネル４内に押し出され、それによって流れチャンネル４の外側輪郭のサイズ及び／又は形状を変化させる。さらに、部分２内に蓄積される応力もまた、図２と同様に流れチャンネル４の幅を増加させると同時に高さを減少させる。これが流れチャンネル４の流れ抵抗における増加をもたらす。この流れ抵抗における増加は、流れシステム１によって移送される流体の温度の上昇に応答した粘性の減少に帰する流れ抵抗における減少を少なくとも実質的に平衡させるように調整できる。図７に示されている実施形態においては、第２の部分３のサイズ、形状、位置を変更してこれを行うことができる。したがって、第２の部分３のサイズを増加すると、流れチャンネル４内に押し出される材料の量が増加することになり、それによる流れ抵抗における増加がより大きくなる。

図８は、本発明のさらに別の実施形態に従った流れシステム１の断面図である。流れシステム１は、中に流れチャンネル４が形成された第１の部分２と第２の部分３を含む。図２〜７に示されている実施形態の場合と同様に、第１の部分２を構成する材料は、第２の部分３を構成する材料の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する。

図８の実施形態においては、第２の部分３が、流れチャンネル４の両側に配置された２つの部分３ｃ、３ｄを含む。温度が上昇し、それに応じて第２の部分３の材料が膨張するとき、第２の部分３の材料は、第１の部分２に向かって膨張できない。したがって、材料は、流れチャンネル４内に押し出され、上で述べたとおりに流れ抵抗が増加する。

図９は、本発明のさらに別の実施形態に従った流れシステム１の断面図である。流れシステム１は、中に流れチャンネル４が形成された第１の部分２と第２の部分３を含む。図２〜８に示されている実施形態の場合と同様に、第１の部分２を構成する材料は、第２の部分３を構成する材料の熱膨張係数より低い熱膨張係数を有する。

図９の実施形態においてもまた、第２の部分３が、流れチャンネル４の両側に配置された２つの部分３ｅ、３ｆを備え、したがって図８に関して述べたメカニズムがここにも等しく適用される。しかしながら図９においては、部分３ｅと３ｆの間の部分２の材料の圧縮が追加され、したがって流れチャンネル４内にふくらむ。したがって、この場合においては、２つの部分３ｅ、３ｆのサイズ、形状、位置が図８に示されているものとわずかに異なる。したがって、流れチャンネル４内に押し出される材料の量もまた異なることが予測されるはずである。

注意する必要があるが、このほかの多様な流れシステム１の設計を企図することが可能であり、図１〜９に示されている実施形態や上記の説明は、例示の目的に資するに過ぎない。重要な特徴は、第１の部分２を構成する材料と第２の部分３を構成する材料の熱膨張係数における差に起因して、部分２、３の一方が部分３、２の他方の熱膨張を制限し、それによって周囲温度が上昇するときの流れチャンネル４のサイズ及び／又は形状を変化させる。この変化は、流れ抵抗における増加を導き、それが、温度の上昇に起因する流れシステム１内で移送されている流体の粘性の増加によって引き起こされる流れ抵抗における減少と少なくとも実質的に平衡する。

さらに、注意する必要があるが、周囲温度が低下するときは上で述べたすべてのメカニズムが逆転し、言い替えると、もっとも高い熱膨張係数を有する材料が収縮して流れチャンネル４の流れ抵抗が減少する。同時に、流れシステム１内において移送されている流体の粘性が温度の低下の結果として増加し、それによって流れ抵抗が増加する。この場合においても２つの効果が少なくとも実質的に互いに平衡する。

図１０は、本発明の１つの実施形態に従った流れシステム１の、それぞれ低温と高温における場合を示した断面図である。図１０に示されている流れシステム１は、図１に示されている種類のものである。したがって、図１０の左側部分は図１に対応し、言い替えると、比較的低い温度における流れシステム１を示しており、したがって、熱膨張が生じていないという意味において流れシステム１が「静止」している。

図１０の右側部分は、いくぶん高い温度における流れシステム１を示している。図１に関連して述べたとおり、分離された状態の第１の部分２の熱膨張と比較したとき、第２の部分３の熱膨張は無視可能である。したがって、図１０の右側部分において、第２の部分３の材料は膨張していないが、第１の部分２の材料は膨張している。第１の部分２に対する第２の部分３の位置は、第２の部分３が存在する方向に第１の部分２の材料が膨張できないという効果を有する。したがって第１の部分２の材料が流れチャンネル４に向かい、かつ追加のチャンネル５に向かって膨張する。それによって流れチャンネル４及び追加のチャンネル５の断面の形状とサイズが変更され、その結果として流れチャンネル４の流れ抵抗が増加する。図１０においては、流れチャンネル４と追加のチャンネル５の間に存在する材料と流れチャンネル４の上に存在する材料が流れチャンネル４内に屈曲することが示されている。これは、第１の部分２のそれらの部分の断面積が比較的小さく、したがってそれらの部分が第１の部分２の「弱い」領域を表すことから生じる。注意を要するが、材料が流れチャンネル４から離れる方向ではなく、流れチャンネル４内に屈曲することが保証されるように流れチャンネル４及び追加のチャンネル５の形状を設計することは可能である。

図１１は、本発明の別の実施形態に従った流れシステム１の、それぞれ低温と高温における場合を示した断面図である。図１１に示されている流れシステム１は、図１０に示されているものと非常に類似している。しかしながら図１１においては追加のチャンネル５がより大きく、したがって周囲温度が上昇するとき、流れチャンネル４の断面のサイズと形状が異なる態様で影響を受ける。しかしながら、この場合においても周囲温度の上昇が流れチャンネル４の流れ抵抗における増加をもたらす。

図１２は、図１の流れシステムの部分の断面図である。図１２には、流れチャンネル４と追加のチャンネル５が中に形成された第１の部分２だけが示されている。図１２に示されている第１の部分２は、高分子チップとすることができる。

図１２は、周囲温度の上昇に伴う流れ抵抗の変化率を図解している。この率は、次式によって与えられる。

この式においてＬは流れチャンネル４の流れ制限セクションの長さ、αは第１の部分２を構成する材料の熱膨張係数、νは流れチャンネル４内で移送される流体の粘性である。第２の部分（図示せず）の熱膨張係数はゼロであると仮定されており、言い替えると第２の部分の熱膨張係数は、第１の部分２の熱膨張と比較して無視できると仮定されている。これについては、すでに上で述べた。さらに、図に表されているとおり、Ｂは流れチャンネル４の高さ、Ｗは流れチャンネル４の幅、ｄは流れチャンネル４と追加のチャンネル５の間の距離、Ｄは第１の部分２の高さである。

特定の温度範囲内において流れチャンネル４の流れ抵抗が周囲温度と独立になることを保証するためには、上記の式がゼロに等しくなければならない。Ｄ／ｄについて解くと次式を得る。

以下の値を使用する。
Ｂ＝２０μｍ
Ｗ＝２０μｍ
α＝５×１０^-4Ｋ^-1
ν＝０．８９×１０^-3パスカル秒
ｄν／ｄＴ＝−０．０２０５×１０^-3パスカル秒Ｋ^-1
これにより上記の式からＤ／ｄ＝２６．５を得る。したがって、高分子チップが２ｍｍの厚さを有する場合にはｄが７５．５μｍによって与えられる。したがって追加のチャンネル５の深さは１．９０ｍｍになる。注意を要するが、上で行った計算においては、第１の部分２の蓋、言い替えると流れチャンネル４の上に位置する材料から生じる効果が省略されている。その種の効果を考慮に入れるためには、上記の計算における「ｄ」が、蓋及び、流れチャンネル４と追加のチャンネル５の間に位置する第１の部分２の部分の有効な結合高さを表すと仮定すればよい。

上記の計算は、周囲温度の変化に起因する粘性の変化によって引き起こされる流れ抵抗の変化が、同じ周囲温度の変化に起因して流れチャンネル４のサイズ及び／又は形状における変化によって引き起こされる流れ抵抗の変化によって相殺できるように追加のチャンネル５のサイズ、形状、位置を設計することが、どのようにすれば可能であるかという例である。それによって追加のチャンネル５が、所望の流れ抵抗／温度の関係を与えるべく、流れチャンネル４内への第１の部分２の熱膨張の受動的較正を保証し、その較正はシステム内に組み込まれる。

本発明に従った流れシステムの種々の実施形態の断面図である。本発明に従った流れシステムの種々の実施形態の断面図である。本発明に従った流れシステムの種々の実施形態の断面図である。本発明に従った流れシステムの種々の実施形態の断面図である。本発明に従った流れシステムの種々の実施形態の断面図である。本発明に従った流れシステムの種々の実施形態の断面図である。本発明に従った流れシステムの種々の実施形態の断面図である。本発明に従った流れシステムの種々の実施形態の断面図である。本発明に従った流れシステムの種々の実施形態の断面図である。本発明の１つの実施形態に従った流れシステムの、それぞれ低及び高温における場合を示した断面図である。本発明の別の実施形態に従った流れシステムの、それぞれ低及び高温における場合を示した断面図である。図１０の流れシステムの部分の断面図である。

Claims

第１の熱膨張係数を有する第１の材料から作られ、その中に形成された少なくとも１つの流れチャンネル（４）を有する第１の部分（２）と、
第２の熱膨張係数を有する第２の材料から作られ、前記第２の熱膨張係数が前記第１の熱膨張係数と異なる第２の部分（３）と、
を含む流れシステム（１）であって、
前記第１の部分（２）及び前記第２の部分（３）は、周囲温度の変化に応答して、第１（２）と第２（３）の部分が協働して、前記流れチャンネル（４）の断面及び／又は形状における、対応する変化を生じさせるように、互いに対して配置されており、前記第１の部分（２）及び／又は前記第２の部分（３）に、さらに１つ又は複数の追加のチャンネル（５，７ａ，７ｂ）が備えられ、流れチャンネル（４）内に対応する変化を生じさせる際に、前記追加のチャンネル（５，７ａ，７ｂ）が、前記第１の部分（２）と第２の部分（３）と協働するように配置される流れシステム（１）。
前記第１の熱膨張係数は前記第２の熱膨張係数より高く、前記第１の部分（２）と第２の部分（３）は互いに対して、前記第２の部分（３）が、前記第１の部分（２）の熱膨張を少なくとも１つの方向において制限するように配置される請求項１に記載の流れシステム（１）。
前記第１の熱膨張係数と前記第２の熱膨張係数の間の差は充分に大きく、前記第２の部分（３）の熱膨張係数が前記第１の部分（２）の熱膨張係数と比較したときに無視可能であることを保証する請求項２に記載の流れシステム（１）。
前記第１の材料は高分子材料を含む請求項２又は３に記載の流れシステム（１）。
前記第２の材料は、金属及び／又は半導体を含む請求項２〜４のいずれかに記載の流れシステム（１）。
前記流れチャンネル（４）内の前記対応する変化は、前記流れチャンネル（４）のうちの少なくとも１つの断面積における変化を含む請求項１〜５のいずれかに記載の流れシステム（１）。
前記流れチャンネル（４）内の前記対応する変化は、前記流れチャンネル（４）のうちの少なくとも１つの形状における変化を含む請求項１〜６のいずれかに記載の流れシステム（１）。
前記温度の特定の範囲は−１５℃〜５０℃である請求項１〜７のいずれかに記載の流れシステム（１）。
前記流れチャンネル（４）のうちの少なくとも１つの断面が流れ抵抗であるか、又はそれを含む請求項１〜８のいずれかに記載の流れシステム（１）。
前記第１の熱膨張係数及び／又は前記第２の熱膨張係数は、１℃当たり１０^-6から１℃当たり１０^-3までの範囲内である請求項１〜９のいずれかに記載の流れシステム（１）。
インレット開口、アウトレット開口、請求項１〜１０のいずれかに従った少なくとも１つの流れシステム（１）を含むマイクロ流体システム。
前記マイクロ流体システムは、流体分析デバイスの一部であるか、又はそれを形成している請求項１１に記載のマイクロ流体システム。
前記マイクロ流体システムは、輸液システムの一部であるか、又はそれを形成いている請求項１２に記載のマイクロ流体システム。
前記マイクロ流体システムは、薬物送給システムの一部であるか又はそれを形成している請求項１１に記載のマイクロ流体システム。