JP5252390B2 - 流体の混合装置、流体の混合方法及び金型構造 - Google Patents
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を備えることを特徴とする流体の混合装置によって構成することもできる。この構成によれば、第14の流路部で他方の流路から流入する流体を上下方向に分離した状態とするため、2つの流体を上下方向に4層の状態とすることができる。これにより、良好に流体を混合することができる。
を備える流体の混合装置によって構成することもできる。この構成によれば、他の部分に2つの流体が流れる状態にすることにより、2つの流体を左右方向に4層の状態とすることができる。これにより、良好に流体を混合することができる。
また、本発明の各実施形態では、2種類の流体を混合する混合装置について説明したが、これに限られず、3種類以上の流体を混合させるものでも良い。
次に、本発明の第1の実施形態の混合装置2の流路を作製するために、実際に金型を作製したが、その金型について説明する。図20に作製した金型の寸法図を示す。図20は、金型を上部から見た上面視図である。図20に示すように、金型には、無酸素銅を用い、各寸法をmmで示している。金型を加工する工具の逃げ角は2度とし、合流部分および出口部分の深さはそれぞれ30μmとした。なお、混合部分は、流路の1サイクルが7mmで5サイクルの35mmとした。
次に、図21に、金型の混合部分の流路の1サイクルの寸法図を示す。図21は、混合部分の流路の1サイクル(7mm=7000μm)の寸法を、上から見た図と、当該図の各位置における流路の断面図で示すものである。図21に示すように、各寸法はμmで示し、図面の上方から下方に向かって加工を行なった。また、各流路の断面に示す抜き勾配は5度とした。
次に、図23に、作製した金型の形状を測定したデータを示す。図23の上側の図は、金型の流路部分の混合部分の1サイクル目の深さ方向を測定し、上面から見た流路の測定結果を表示したものであり、図23の下側の図は、横方向から見た流路部分の測定結果を表示したものである。なお、表示中で白く抜けている箇所は、測定装置の分解能の問題によるものであり、実際には流路はつながって存在している。
次に、本実施形態の第1の実施形態の混合装置2を用いた流体の混合度合いを解析するために、コンピュータを用いたシミュレーション結果について説明する。解析に用いた各条件を図24に示す。解析には、図20および図21に示した流路の各寸法を用い、使用流体を水(密度:1000kg/m3、粘度:1×10−3Pa・s)とし、層流で非圧縮なものとした。また、境界条件として、流路の入り口の流体の圧力を100kPa、出口の圧力を0Paとした。また、支配方程式は図24に示すナビエ−ストークス方程式を用いた。
次に、図20乃至図23に示した金型を用いて、PDMS(Polydimethylsiloxane)製マイクロチップを作製したが、作製方法および作製結果について説明する。
作製した凸型PDMSと凹型PDMSのSEM(走査電子顕微鏡JSM−5600、JEOL)による観察を行なった。観察の際には、PDMS型の上に金を約30nm蒸着した。SEMを用い、金型から転写した凸型PDMS(1次転写物)、この凸型PDMSから転写した凹型PDMS(2次転写物)の構造を観察した。
次に、作製したマイクロチップをマイクロミキサーとして実験し、溶液混合率の評価を行なったので、以下に説明する。なお、マイクロミキサーに流す溶液としては、蛍光色素溶液と水を用いた。
上述の算出方法を用いて、マイクロミキサーにFITC溶液と水を流し、混合率の測定を行なった。なお、マイクロミキサーの効果を示すために、マイクロミキサーと、ミキサー(混合部分)の無いフラットなガラスのチップ(幅100μm、深さ40μm)を用いて比較を行なった。混合率の測定結果を図34に示す。図34(a)は、マイクロミキサーの混合率の測定結果であり、図34(b)は、ミキサーの無いガラスチップの混合率の測定結果である。図34に示すように、溶液と水の流速を4mm/secから25mm/secまで変化させて測定を行なった。
FITC溶液と水の混合の様子を、共焦点レーザー蛍光顕微鏡(FV1000、OLYMPUS)により観察した(対物レンズ40倍)。測定の手順は、混合率を導出した際と同様の手順を用いた。観察結果を図35に示す。図35は、マイクロミキサーの流路を入り口から各位置において輪切りにして撮影したもの(チャネルの流路方向断面図)であり、流速は12mm/secである。なお、図35の観察結果は、測定の都合上、図2の混合部分の断面図と上下が反対の状態となっている。図35により、蛍光色素溶液と水が徐々に混合されていく様子を観察することができる。なお、上述の説明では、各実施形態について、金型を作成し、これを用いて流路を形成するものとしたが、これに限らず、半導体デバイス等の手段を用いて、各実施形態の流路を作成しても良い。
次に、本発明の第17の実施形態の混合装置2の流路を作製するために、実際に金型を作製したが、その金型について説明する。図36に作製した金型の寸法図を示す。図36は金型を上部から見た上面視図である。図36に示すように、各寸法はmmで表されている。金型の合流部分および出口部分の深さは0.02mmとした。なお、混合部分は10サイクルとし、寸法を12mmとした。
次に、図39に、作製した金型の形状を測定したデータを示す。図39は、金型の流路部分の混合部分の深さ方向を測定し、上面から見た流路の測定結果を示したものである。なお、表示中で白く抜けている箇所の多くは、金型表面の反射率が低いために測定不能になっているものであり、実際の流路は正しく作製されている。
次に、本実施形態の第17の実施形態の混合装置2を用いた流体の混合度合いを解析するために、コンピュータを用いたシミュレーション結果について説明する。解析に用いた各条件を図40に示す。解析には、図36および図37に示した流路の各寸法を用い、使用流体を水(密度:1000kg/m3、粘度:1×10−3Pa・s)とし、層流で非圧縮なものとした。また、境界条件として、流路の入り口の流体の速度を6mm/s、出口の圧力を0Paとした。また、支配方程式は図40に示すナビエ−ストークス方程式を用いた。
FITC溶液と水との混合の様子を、共焦点レーザー蛍光顕微鏡により観察した。観察結果を図41に示す。図41は、マイクロミキサーの流路を入り口から各位置において輪切りにして撮影したものである。図41により、蛍光色素溶液と水が徐々に混合されていく様子を観察することができる。
マイクロミキサーにFITC溶液と水を流し、混合流路の長さに対する混合率の測定を行なった。混合率の測定結果を図42に示す。溶液と水の流速は8mm/sである。図42に示すように、混合流路の長さが約3mm以上で混合率は90パーセント以上となった。
上述した解析結果および実験結果では、本発明の第1の実施形態である混合装置2によって良好に流体の混合ができることがわかった。しかしながら、さらに改良が必要な点も存在する。図26の位置6mmの流線プロット、および図35の位置5.5mmの断面図に示されているように、流路の右上隅部では、左側の流体が十分に流れておらず、左下隅部では、右側の流体が十分に流れておらず、2つの流体が十分に2層になっているとはいえない。この部分は、元々流れている流体部分に他の流体が流入し難くなっているため、混合し難くなっているものと考えられる。したがって、流路の形状を以下のように変更することにより、流体の混合が向上するものと考えられる。
4 流路
6 合流部分
8 混合部分
10 出口部分
Claims (12)
- 少なくとも2つの流路を合流させることで、2つの流体を混合させてなる流体の混合装置であって、前記少なくとも2つの流路は、混合装置を構成する一つのマイクロチップにおいて同一の面から同一方向に形成され、
一方の流体を収容する一方の流路と、
他方の流体を収容する他方の流路より構成され、
流路方向に垂直な上下方向の前記一方の流路の最下部の位置が、前記他方の流路における前記上下方向の最下部の位置よりも下部である第1の流路部と、
前記流路の合流後の状態において、前記一方の流路から延出する部分の前記上下方向最下部が、前記他方の流路から延出する部分の最下部の真下である第2の流路部を、
備えることを特徴とする流体の混合装置。 - 前記第2の流路部を、前記流路方向および前記上下方向に垂直な方向である左右方向に分離する第3の流路部をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の流体の混合装置。
- 前記第3の流路部で分離された少なくとも2つの流路を、
前記第1の流路部と前記第2の流路部と同様の流路形状を用いて流体を混合させる第4の流路部をさらに備えることを特徴とする請求項2に記載の流体の混合装置。 - 前記他方の流路の断面形状が、頂角が一方の流路に向かうくさび形状であることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の流体の混合装置。
- 前記第2の流路部に続く流路部であって、前記一方の流路から延出する部分の前記流路方向および前記上下方向に垂直な方向である左右方向幅と前記他方の流路から延出する部分の左右方向幅を同一にする第12の流路部と、
を備えることを特徴とする請求項1に記載の流体の混合装置。 - 前記第12の流路部の底部の一部を他の部分よりも流路方向に垂直な上下方向に深い部分を形成して、2つの流体が前記深い部分に収容された状態とする第13の流路部と、
前記他の部分の左右方向幅を小さくして、前記他方の流路から流入する流体を上下方向に分離した状態とする第14の流路部と、
を備えることを特徴とする請求項5に記載の流体の混合装置。 - 前記第12の流路部の底部の一部を他の部分よりも流路方向に垂直な上下方向に浅い部分を形成して、前記他方の流路を流れる流体のみが流れる状態とする第18の流路部と、
前記一方の流路から延出する流路部分の上下方向深さを浅くすることにより、前記他方の流路から流入する流体を左右方向に分離した状態とする第19の流路部と、
を備えることを特徴とする請求項5に記載の流体の混合装置。 - 前記第12の流路部の底部の一部を他の部分よりも流路方向に垂直な上下方向に深い部分として形成し、前記深い部分が前記他の部分の真下になる状態とする第20の流路部と、
を備える請求項5に記載の流体の混合装置。 - 請求項1から8に記載した流体の混合装置の形状、またはその反対形状を、金型として用いることを特徴とする金型構造。
- 少なくとも2つの流路を合流させることで、2つの流体を混合させてなる流体の混合方法であって、前記流路は、
一方の流体を収容する一方の流路と、
他方の流体を収容する他方の流路より構成され、該他方の流路の断面形状が、頂角が一方の流路に向かうくさび形状であり、
流路方向に垂直な上下方向の前記一方の流路の最下部の位置を、前記他方の流路における前記上下方向の最下部の位置よりも下部にする第1のステップと、
前記第1のステップの後であって、前記流路の合流後の状態において、前記一方の流路から延出する部分の前記上下方向最下部を、前記他方の流路から延出する部分の最下部の真下にする第2のステップと、
からなる流体の混合方法。 - 前記第2のステップの後に、合流後の流路を、前記流路方向および前記上下方向に垂直な方向である左右方向に分離する第3のステップをさらに備えることを特徴とする請求項10に記載の流体の混合方法。
- 前記第3のステップで分離された少なくとも2つの流路を、
前記第1のステップと前記第2のステップと同様に流体を混合させる第4のステップをさらに備えることを特徴とする請求項11に記載の流体の混合方法。
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