(57)【要約】      （修正有）【課題】水溶液を電気浸透作用により搬送する効率的な電気浸透ポンプを提供する。【解決手段】シリカの繊維２６をチューブ１２の内腔に配置し、チューブ１２の両端には電極１６，１８を設けてポンプチューブ３０を構成する。一方の電極１８には電圧源２０を接続し、他方の電極１６は接地することによって電界を発生させる。この電界によってポンプチューブ３０内で帯電した水溶液を動かす。繊維２６はより多くの水溶液を帯電させる活性要素としての働きをする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部と第２の端部と、それらの間を延びる内腔とを有するポンプチューブであって、軸線を画成し、前記内腔が前記軸線に対して垂直で「Ａ」に等しい断面積を有しているポンプチューブと、
前記第１の端部と前記第２の端部との間で前記ポンプチューブの内腔内に位置された複数の細長い繊維であって、前記軸線に対して垂直で約「Ａ／２」に等しい集合断面積を有している複数の細長い繊維と、
前記ポンプチューブの前記第１の端部と前記第２の端部との間で前記内腔を充たす水溶液であって、前記繊維と相互作用して該溶液を帯電させる水溶液と、
前記ポンプチューブの前記第１の端部と前記第２の端部との間で電界を発生させ、前記の帯電した溶液を前記内腔内で運動させる力を該帯電溶液において発生させる手段とを含むことを特徴とする電気浸透ポンプ。
【請求項２】
前記の細長い繊維が糸を形成するよう共に紡がれていることを特徴とする請求項１に記載のポンプ。
【請求項３】
軸線を画成している容器と、
前記容器を充たしている水溶液と、
前記水溶液に浸漬され該水溶液を帯電させるよう該水溶液との間で相互作用する複数の細長い繊維であって、前記軸線に対して概ね平行に整合されている複数の細長い繊維と、
前記の帯電した水溶液を前記容器に対して軸線方向に運動させる力を前記水溶液において発生させるように軸線方向に向けられた電界を前記容器の中で発生させるように該容器に接続されている電圧手段とを含むことを特徴とする電気浸透ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に流体ポンプに関する。特に、本発明は微小流体素子工学（ｍｉｃｒｏ−ｆｌｕｉｄｉｃｓ）において水溶液を搬送するのに有用な電気浸透ポンプ（ｅｌｅｃｔｒｏ−ｏｓｍｏｔｉｃ  ｐｕｍｐｓ）に関する。本発明は、専用ではないが、特に電気浸透ポンプのポンピング能力（ｐｕｍｐｉｎｇ  ｃａｐａｃｉｔｙ）を高める装置および方法として有用である。
【０００２】
【従来の技術】
一般に電気浸透（ＥＯ）作用として知られている現象によって液体は付与される電界の影響の下で小径のチューブを介して動きうることが知られている。詳しくは、ＥＯ作用は、水溶液がある活性の材料（酸性あるいは苛性（ｃａｕｓｔｉｃ））と接触すると該溶液が帯電されるという事実から発生する。もしもシリカのような酸性の活性材料が使用されるとすれば、水溶液は正に帯電する。他方、もしも苛性材料が使用されるとすれば、該溶液は負に帯電する。いずれの場合も、帯電した溶液に電界を付与すると該溶液にそれを動かす力を発生させる。
【０００３】
ＥＯ作用においては、活性材料に直接接触している溶液の極めて薄い層のみが帯電するようになる。典型的には、帯電した溶液のこの層はデバイ長さ（Ｄｅｂｙｅ  ｌｅｎｇｔｈ）（例えば１０ｎｍ）に概ね等しい極めて浅い深さを有する。この結果、前記溶液の比較的小さい容積のみがＥＯ作用によって帯電されうる。それでも、帯電される溶液が少量であるにもかかわらず、チューブを介して水溶液を動かすことができるためには、付与された電界によって帯電した溶液に発生する力はこのチューブにおける圧力ヘッドをともかく上回る必要がある。
【０００４】
微小流動素子工学に対して、ＥＯ作用は有効に使用されうるが、ある重要な限界のあることがよく知られている。最も著しいのはこれらの限界が使用可能なチューブのサイズと、チューブを通して帯電した水溶液を推進するために使用しうる電界の大きさとに関わっていることである。特に電界に関する限り、この電界を発生させる高電流密度は少なくとも二つの理由から望ましくない。第１に、高電流密度はチューブ内の溶液を過度に抵抗加熱させうることである。第２に、電界を発生させる電極における高電流密度は水の電解によってチューブ内にガスを発生させうることである。このことによって電界を壊してしまう。チューブのサイズに関する限り、該チューブを通る液体の運動に抵抗する該チューブ内の圧力ヘッドが最も重要である。これまで、圧力ヘッドを克服する上でＥＯ作用が有用となりうるようにするためには、小径（典型的には、半径が１０−２０ミクロン以下でなければならない）のチューブが必要とされてきた。このことを念頭に入れると、ＥＯ作用の数学的分析およびチューブにおける抵抗圧力ヘッドに対するその相互作用が有益である。
【０００５】
圧力ヘッドに抵抗しながら、ＥＯ作用によって流れるチューブ内の従来の流れの一例に対して、例えばシリカのようなＥＯ活性材料から作られ、半径「ａ」の内腔（ｌｕｍｅｎ）を有するチューブを検討してみる。
【０００６】
チューブの壁の近傍での薄い層内で、電界によって推進されるＥＯによる流れの流速ｕは式
ｕ＝λΣＶ／２ηＬ
によって提供され、λは層の厚さ（典型的には１０ｎｍ）、Σは壁面の電荷密度（典型的には１０−２クーロン／ｍ２）、Ｖは電圧、ηは流体の粘度、Ｌはチューブの長さである。速度は、
ζ＝λΣ／ε
として定義されるゼータポテンシャル（ｚｅｔａ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）ζに関して表わすことができる。εは流体の誘電定数である。
【０００７】
圧力ヘッドによって推進され、前述したＥＯによる流れに抵抗するポアズイユの流れ（Ｐｏｉｓｅｉｌｌｅ  ｆｌｏｗ）は
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によって提供される放物線形状を有しており、ｐは圧力ヘッドで、ａ＞＞λの値が想定されている。このような条件下において、チューブにおける全体の流量Γは
Γ＝∫０ａ２πｖｒｄｒ＝πａ２｛ｕ−ｐａ２／［８Ｌη］｝
によって与えられる。
【０００８】
そのため、ＥＯによる推進が圧力ヘッドを上回る条件は
ａ２＜４λΣＶ／ｐ
によって与えられる。
【０００９】
前述の式から、大きな圧力ヘッドが望ましい場合、チューブの半径「ａ」は極めて小さくなければならないことが認められる。その結果、処理量（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）は極めて小さい。その他のパラメータを一定とした最適な半径は
ａ２＝２λΣＶ／ｐ
によって提供され、全体の流量は
Γ＝πａ２ｕ／２
となる。
【００１０】
前述の式から、電気浸透（ＥＯ）作用は表面作用であることが認められる。そのため、ＥＯ作用は水溶液に対して露出される活性材料の表面積の大きさによって顕著に左右される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
前述のことに照らせば、本発明の目的は、水溶液をポンピング、圧送する（ｐｕｍｐｉｎｇ）チューブ状の電気浸透ポンプであって、使用されるチューブの単位長さ当りの溶液に露出される活性材料の表面積の大きさを効果的に増大させる電気浸透ポンプを提供することである。本発明の別の目的は断面積を増大した内腔を効果的に使用することができるチューブ状の電気浸透ポンプを提供することである。更に別の本発明の目的はポンプの抵抗加熱および電解によるガスの望ましくない生成を排除するために、電圧の必要量を殆ど、あるいは全く増すことなく効率を上げる電気浸透ポンプを提供することである。本発明の更に別の目的は、ポンプと同様にスイッチ、あるいは弁として色々使用することが可能である電気浸透ポンプを提供することである。本発明の別の目的は、ポンプの作動要素の詰まりを阻止し、低導電性を保持する封入空気アイソレータ（ｔｒａｐｐｅｄ  ａｉｒ  ｉｓｏｌａｔｏｒ）を効果的に組み込むことが可能である電気浸透ポンプを提供することである。また、本発明の目的は製造が比較的簡単で、使用が容易であり、かつ比較的に費用効果的である電気浸透ポンプを提供することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明による電気浸透ポンプは活性要素（例えば、シリカ繊維）と該活性要素が浸漬されている水溶液との間の境界面の面積を顕著に増大させる構造体を提供する。その結果、より多くの水溶液を活性要素によって帯電させることが可能であり、溶液に対してポンピング力（ｐｕｍｐｉｎｇ  ｆｏｒｃｅ）を発生させるのに低い電界電荷でも効果がある。
【００１３】
本発明によると、水溶液内で活性要素を保持するための容器が提供される。前記容器はチューブ状であり、該チューブの一端から他端まで延びる軸線を画成する内腔を有していることが好ましい。本発明の好適実施例において、活性要素は相互に紡がれて糸とされた複数の繊維を含む。この糸は、次いでチューブ状の容器の内腔内に位置されてポンプチューブ（ｐｕｍｐ  ｔｕｂｅ）を作成する。重要なことは、前記の糸は、その糸の繊維をポンプの管の軸線に対して概ね平行に整合させて、前記ポンプチューブの両端の間で延在することである。次いで、前記ポンプチューブの内腔は前記糸と相互作用する水溶液で充填され該水溶液を帯電させる。本発明に対して、ポンプチューブの軸線に対して垂直の平面から見た前記ポンプチューブの内腔の断面積は「Ａ」に等しい面積を有し、一方この平面における糸の繊維の集合断面積は概ね「Ａ」の半分（すなわち、Ａ／２）に等しくなるよう企図している。
【００１４】
ポンプチューブの内腔において電界を発生させるために、ポンプチューブの各端には電極が位置されている。これらの電極の一方はゼロの電位であり、一方他方の電極は負あるいは正の電位を有し、その結果得られる電界はポンプチューブの軸線に対して概ね平行に向けられることが好ましい。従って、電界がポンプチューブに対して付与されるといつでも、ポンプチューブを通して水溶液を運動させる力が帯電した水溶液において発生する。
【００１５】
延長チューブを組み合わせてポンプチューブの一端に流体連通させて接続させることができる。重要なことは、前記延長チューブがポンプチューブの端において電位Ｖに接続されるかあるいはゼロ電位（接地）に接続されるかによって、該延長チューブがそれぞれゼロ電位（接地）から電圧電位Ｖまでか、あるいはその逆に復帰することである。ポンプチューブと延長チューブとは合わせて本発明による電気浸透ポンプのポンピング部（ｐｕｍｐｉｎｇ  ｓｅｃｔｉｏｎ）を画成する。更に、電気浸透ポンプのポンピング力を増大させるために、複数のこれらのポンピング部はポンプチューブと延長チューブとを交互にして直列に共に接続することができる。電圧は直列接続のポンピング部に対して並列に付与することができるので、高電圧を使用する必要性がないことが重要である。
【００１６】
本発明の重要な選択肢は延長チューブに関わる。一実施例においては、延長チューブに水溶液を充填することができる。しかしながら、これは必要条件ではない。特に、水溶液以外の流体をポンピングすることが望ましいような状況においては、延長チューブには少なくとも部分的に気泡を充たしてもよい。そうすれば、気泡は、延長チューブ内のポンピング部によってポンピングされつつあるどんな異なる流体からでも、ポンプチューブにおける水溶液と糸とを遮断する。本発明のその他の選択肢はポンプチューブおよび延長チューブに対する色々な向き並びにそれらのそれぞれの断面積の変更に関わる。本発明に対して検討されているように、これらの色々な向きや変更によって本発明による電気浸透ポンプをポンプとしての従来の使用方法の他に弁あるいはスイッチとして使用できるようにする。
【００１７】
その構造と作動との双方に関しての本発明の新規な特徴並びに本発明そのものは同じ部材を同じ参照記号で指示している添付図面を本発明の説明に関連して検討すれば添付図面から最良に理解される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
先ず図１を参照すれば、本発明による電気浸透（ＥＯ）ポンプの分解図が示され、全体的に１０で指示されている。詳しくは、ＥＯポンプ１０は図１に示す細長いチューブ１２のような容器を含む。本発明の目的に対して、前記チューブ１２には内腔１４が形成され、該チューブ１２はその一端において取り付けられた、すなわち装着された電極１６を有している。チューブ１２はまた、電極１６とは反対側の該チューブ１２の他端において取り付けられた、すなわち装着された電極１８を有している。これらの電極の一方（例えば、電極１６）は接地され、また他方の電極（例えば電極１８）は電圧源２０に接続されている。この構造により、チューブ１２の内腔１４において電界Ｅを発生させる電圧電位を電極１８に位置させることができる。重要なことは、電界Ｅが全体的に前記チューブ１２の軸線２２に対して平行の方向に指向されることである。
【００１９】
引き続き図１を参照すると、本発明によるＥＯポンプ１０は、複数の個々の繊維２６から紡がれた糸２４を含む。繊維２６は、水溶液と接触すると該水溶液において電荷を発現させるシリカ、あるいは当該技術分野で周知のその他の何らかの活性材料から作ることが好ましい。本発明のＥＯポンプ１０に対して、糸２４にどのような活性材料が使用されようとそれには関係なく糸２４の直径２８は細長いチューブ１２の内腔１４の直径と概ね同じであると想定する。また、糸２４の長さもチューブ１２の長さと概ね同じである。このように、図１に示すように、糸２４はチューブ１２の内腔１４に挿入され、電極１６と１８との間で該内腔内に位置させることができる。糸２４が前記チューブ１２の内腔１４に位置されると、組み合わされて前記ＥＯポンプ１０のこれらの構成要素がポンプチューブ３０を形成する。
【００２０】
図２を参照すれば、本発明はポンプチューブ３０を延長チューブ３２に流体連通関係で接続させていることが判る。図２に示すように、ポンプチューブ３０と延長チューブ３２との組み合わせ体に対して、水溶液３４がポンプチューブ３０と延長チューブ３２との双方を充たし、それらは共通の電極（例えば、電極１８）を有する。共通の電極１８とは反対の側にある延長チューブ３２の端部において、別の接地された電極１６′を使用することが可能なことが注目される。このような組み合わせにおいて、チューブ３０とチューブ３２とは一緒になってポンピング部３６を形成する。本発明に対して、ポンピング部３６は独立して使用することができるよう意図している。また、ポンピング部３６は、接地された電極（例えば、電極１６）を電圧源２０（例えば電極１８）の間に位置させるよう変更させて他のポンピング部３６と端と端を合わせて位置させることができる。このようにして、ポンピング部３６は追加の電圧を必要とすることなくポンピング圧力ヘッドを増すように直列で整合させることができる。
【００２１】
引き続き図２を参照すれば、ＥＯ作用を発生させるために必要な水溶液３４以外の液体３８をポンピングする上で効果的なＥＯポンプ１０を企図していることが認められる。特に、万一相互に接触するようになると糸２４を閉塞しようとする傾向のある液体３８（例えば、血液）をポンピングすることが必要となるようなことも起こりうる。そのような状況に対しては、本発明は糸２４と水溶液３４とを異なる液体３８から効果的に遮断する気泡４０を延長チューブ３２において発生させることを想定している。ポンプチューブ３０におけるＥＯ作用によって水溶液３４に対して発生する圧力は気泡４０を介して異なる液体３８に効果的に伝送されることは数学的に示すことができる。このことを念頭におけば、本発明の重要性はＥＯ作用によってポンプチューブ３０において発生しうる圧力を増大させることである。
【００２２】
図３に示すように、軸線２２に対して垂直の平面において「Ａ」の値の断面積を有する内腔１４に対して、この同じ平面における繊維２６の集合断面積は約「Ａ／２」に等しいことに注目することが興味深い。数学的には、得られたＥＯ作用に対するこの関係の結果は意義がある。例えば、糸２４が緊密に装嵌されたチューブ１２に位置されている状況を検討してみよう。糸２４における繊維の数Ｎは式
Ｎ＝ｂ２／［２ａ２］
を満足させる。ここで内腔１４の直径２８は「２ｂ」の値に等しく（すなわち、半径は「ｂ」である）、個々の繊維２６は各々半径「ａ」を有している。そうすれば、糸２４における繊維２６の間にある微小流路の容積は繊維２６の容積に概ね等しいことになる。このように、流路は集合的に、平均して半径「ａ」を有するチューブとして作用する。チューブ１２を通しての全体の流量は
Γ＝［πｂ２／２］｛ｕ−ｐａ２／［８Ｌη］｝
によって提供される。ここではｐは圧力ヘッドであり、Ｌはチューブ１２の長さであり、ηはチューブ１２における流体の粘度である。この式は、圧力ヘッドｐは繊維２６の半径「ａ」によって決まるが、流量（ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）Γはチューブの直径２８によって決まることを示している。このように、たとえ大きな圧力ヘッドｐであっても、大きな流量は可能となる。
【００２３】
ポンピング部３６の構造、および数個のポンピング部３６を組み合わせて単一のＥＯポンプ１０に一体化することについて本発明によって数種の変形が示されている。図４に示す一変形においては、ポンピング部３６は梯子状構造に配置することができる。そのような構造は直列に接続されたポンピング部３６の全長を効果的に短縮する。詳しくは、図４に示す全体的に梯子状の配置において、一連の平行なポンプチューブ３０を一連の相互に平行である延長チューブ３２の間に交互に配置させることができる。このような配置においては、順次の延長チューブ３２を相互に分離するために、図示のような仕切り４２を使用する必要がある。そうすれば、梯子状配置の脚４４および４６はそれぞれ（電圧源２０に接続された）電極１８および（接地された）電極１６として使用することができる。図５に示す別の組み合わせにおいて、一方のポンプチューブ３０ａを別のポンプチューブ３０ｂに接続してＹ字形導管の２個の脚を形成することができる。この組み合わせにおいては、導管の基部は延長チューブ３２として形成することができる。そうすれば、ポンプチューブ３０ａおよび３０ｂのそれぞれの電極１８ａおよび１８ｂにどの程度の電圧電位が付与されるかによって、水溶液３４は矢印４７ａおよび４７ｂによって指示される方向に選択的に推進することができる。
【００２４】
気泡４０を取り込んだＥＯポンプ１０の構造の代替実施例が図６に示されている。本実施例については、気泡４０を位置させるべき延長チューブ３２′の部分に弁４８が関連していることが判る。こうして、気泡４０は弁４８を介して延長チューブ３２′中へ注入することができる。その後、気泡４０を弁４８によって調整し、かつ制御することができる。代替的に、かつ特に図２に示す線形ＥＯポンプ１０については、気泡４０は注射器タイプの器具（図示せず）を使用することによって延長チューブ３２内に位置させることができる。
【００２５】
本発明の効果は例えば図７に示すような試験装置を使用することによって示すことができる。この装置においては、２個の概ね平行で、垂直方向に向けられたリザーバ５０および５２がポンプチューブ３０を介して相互に接続されている。各リザーバ５０，５２は１５ミリメートル（１５ｍｍ）である内径５４を有し、ポンプチューブ３０は５センチメートル（５ｃｍ）である長さ５６と３ミリメートル（３ｍｍ）である内径５８とを有している。ポンプチューブ３０における糸２４は直径が概ね５ミクロン（５μｍ）であるシリカの繊維から紡がれている。実験（デモ）用として、電極１６および１８はリザーバ５０，５２の水溶液３４に位置されたプラチナワイヤとしうる。前述したように、この配置はポンプチューブ３０において電界Ｅを形成する電圧電位を電圧源２０と接地との間で発生させる。そうして、電極６０ａおよび６０ｂをリザーバ５０，５２中へ挿入し、電界Ｅを測定するために電圧計６２に接続することができる。
【００２６】
図７に示す装置によるＥＯ作用を検査するために、ポンプチューブ３０とリザーバ５０，５２とには脱イオン水（水溶液３４）が充たされる。リザーバ５０，５２における水のレベルが同等のレベルまで落ち着いた後、電圧源２０をオンにする。次いで、２個のリザーバ５０，５２の間の水のレベル差が時間の関数として測定される。
【００２７】
理論的な分析によれば、水レベルの差ｙは
ｙ＝ｙ０｛１−ｅｘｐ［−ｔ／τ］｝
のように挙動すべきであって、但し、
ｙ０＝４λΣＶ／［ａ２ρｇ］
τ−１＝ｂ２ａ２ρｇ／［１６Ｒ２ηＬ］
実験データを使用して上記の式［１］からｙ０およびτの値を取得する。値のセットの例はｙ０＝４．８２センチメートルおよびτ＝３．４８×１０４秒である。実験パラメータで、Ｖ＝６５ボルト、ｂ＝１．５ミリメートル、Ｒ＝７．５ミリメートル、Ｌ＝５センチメートル、η＝１０−３ｋｇ／ｍｓおよびρｇ＝１０４ｈｇ／ｍ２ｓ２を使用すると、
λΣ＝１．１×１０−１０クーロン／ｍ
ζ＝λΣ／ε＝１５５ｍＶ
ａ＝７．５×１０−６ｍ
ρｇｙ０／Ｖ＝７．５パスカル／ボルト
を得ることができる。
【００２８】
λ、Σおよびζの値はシリカについては合理的である。粘性の流量がａ４によって加重され、一方面積がａ２によって加重されるという事実を考慮すれば有効流路の半径「ａ」も合理的である。しかしながら、糸２４における流路の半径がある程度統計的に配分されており、ポンプチューブ３０の有効半径の値はその面積から推定した値よりも大きくあるべきである。
【００２９】
実験したこところでは、５ミクロンの半径を備えた通常のチューブと等しい圧力ヘッドが７．５ミリメートルの半径を備えたポンプチューブ３０によって得られることを示している。また、ポンプチューブ３０の容積流量は半径「ａ」の単一の通常のチューブと比較して、ｂ２／２ａ２＝２×１０４倍である。このように、実験結果はポンプチューブ３０が高圧ヘッドと大量の容積流量とを同時に発生させることができることを確認している。
【００３０】
本明細書で示し、かつ詳細に説明した特定の繊維充填電気浸透ポンプは十分に前述した目的を達成し、かつ利点を提供することが可能であるが、それは単に本発明の現在好適な実施例を例示しているのみであり、特許請求の範囲に記載以外は本明細書で示した構造や構成の詳細に何ら限定されないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電気浸透ポンプの分解斜視図であって、ポンプチューブの内腔の内側に位置される前の活性材料による糸を示す。
【図２】端と端を接続した複数のポンピング部を組み込んだ本発明による電気浸透ポンプの好適実施例の側面図である。
【図３】図２の線３−３に沿ったポンプチューブの断面図である。
【図４】本発明の代替実施例の平面図である。
【図５】弁あるいはスイッチとして有用である本発明の代替的実施例の平面図である。
【図６】本発明による電気浸透ポンプへ組み込むことが可能である空気アイソレータの側面図である。
【図７】本発明の効果を検査する実験装置を示す。
【符号の説明】
１０  電気浸透（ＥＯ）ポンプ
１２  チューブ
１４  内腔
１６，１８  電極
２０  電圧源
２４  糸
２６  繊維
３０  ポンプチューブ
３２  延長チューブ
３４  水溶液
３６  ポンピング部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【外国語明細書】
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