(57)【要約】【課題】  マイクロチャネルにあって、渦を発生させて混合する流体の比界面積の増大、拡散距離の短縮をさせることにより、流体の混合を一層促進した。【解決手段】  出口流路２内に突起３を設け、この突起３の上流及び下流のいずれか一方の出口流路２の流路空間にて周期的に体積変化を生じる構造を有する。出口流路２は、この出口流路２の流路空間での周期的な体積変化にて突起３の上流及び下流の両側に渦を生じさせる流路抵抗を有する。出口流路２の流路空間での周期的な体積変化は、流体の流れ方向に直交する流路壁の一部及び全部のいずれかの変位による。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の入口流路が結合して、１本の出口流路に連通するマイクロミキシングデバイスにおいて、上記出口流路内に突起を設け、この突起の上流及び下流のいずれか一方の出口流路の流路空間にて周期的に体積変化を生じる構造を有することを特徴とするマイクロミキシングデバイス。
【請求項２】
出口流路は、この出口流路の流路空間での周期的な体積変化にて突起の上流及び下流の両側に渦を生じさせる流路抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロミキシングデバイス。
【請求項３】
出口流路の流路空間での周期的な体積変化は、流体の流れ方向に直交する流路壁の一部及び全部のいずれかの変位によることを特徴とする請求項１に記載のマイクロミキシングデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細流路（マイクロチャネル）にて複数の流体を混合するためのマイクロミキシングデバイスに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、医療用生化学分析や化学分析においては、資料と試薬とを混合し、これらを反応させることにより分析が行われる。従来、この混合や反応を行うに当たっては、タンク等を用いたいわゆるバッチ方式によって流体同士を接触させていた。
ところで、流体同士の接触を一層増大する、拡散による混合や反応を起こり易くする、混合容器間にて流体の滞留がない、部分的ではない均一な反応を得る、等の理由から、微小空間であるマイクロチャネルに流体を流して、この微小容器にて混合や反応を生じさせる、いわゆるマイクロミキサと呼ばれる装置が存在する。この場合、当然のことながら、反応の遅い・速いは資料と試薬、あるいは条件に依存するのであるが、資料と試薬との混合についてはバッチ方式に比べて短時間で十分に混合することが可能となる。
しかしながら、マイクロチャネル、すなわちマイクロメータ単位例えば５００μｍ以下の流路等については、例えば２００以下のレイノズル数によって支配される世界であり、層流支配の世界である。このため、混合すべき流体は、マイクロチャネル内にて層流となり、各流体の混合は、各流体の接触面すなわち比界面積での拡散が主となる。
このような現状において、従来、マイクロチャネルでの流体の混合を更に向上させ、層流を維持しようとする高速な流体流速に対処するためあるいは高速な反応に対処するためにも、種々の改良が重ねられており、これまでにもマイクロチャネルでの流体の混合に関しては種々の提案がある。
従来技術の典型例として、例えば特許文献１には、マイクロチャネル内に設けられたミキシング流路に流体の流れ方向と直交する流体の拡散方向に振動を伝達し、流体の分子運動を拡散方向に増大させ、流体の接触界面での分子の拡散方向の移動を増大させるという技術の開示がある。
すなわち、上記従来例においては、層流の存在を前提として、各流体間の拡散方向の分子移動を促すことが行われている。
【特許文献１】特開２００３−２１０９６３公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら上述する各従来構造では、層流支配の微細空間であるマイクロチャネルにあって、例えば振動により拡散を促すものであり、混合へ顕著な効果アップは望めない。
本発明は、上述の問題に鑑み、マイクロチャネルにあって、渦を発生させて混合する流体の比界面積の増大、拡散距離の短縮をさせることにより、流体の混合を一層促進したマイクロミキシングデバイスの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、複数の入口流路が結合して、１本の出口流路に連通するマイクロミキシングデバイスにおいて、上記出口流路内に突起を設け、この突起の上流及び下流のいずれか一方の出口流路の流路空間にて周期的に体積変化を生じる構造を有することを特徴とする。
また、請求項２にかかる発明は、請求項１にかかる発明において、出口流路は、この出口流路の流路空間での周期的な体積変化にて突起の上流及び下流の両側に渦を生じさせる流路抵抗を有することを特徴とする。
また、請求項３にかかる発明は、請求項１にかかる発明において、出口流路の流路空間での周期的な体積変化は、流体の流れ方向に直交する流路壁の一部及び全部のいずれかの変位によることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明にかかる発明によれば、出口流路内に突起を設け、この突起の上流もしくは下流での出口流路の流路空間にて体積変化を生じさせることにより、流路の拡張及び／又は収縮の際突起の上流側に流体が逆流し、下流側では加速される交番的な流れの変化が起き、突起の上流及び下流で流れの渦が生じる。この渦により流体の比界面積が増大し、拡散距離の短縮が起こり、速やかな混合が可能となる。この場合、２種類の流体のみならず入口流路を結合することで複数種類の流体の混合が可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下に添付図面を参照して、この発明にかかるマイクロミキシングデバイスの最良な実施の形態を詳細に説明する。
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態にかかるマイクロミキシングデバイスの断面構成図である。図１において、このマイクロミキシングデバイス（以下デバイスという）では、２本の入口流路１と１本の出口流路２とが結合され、Ｙ字型のマイクロチャネルが形成されている。そして、出口流路２では、各入口流路１から導入される２種類の流体の合流位置にて、１個の突起３が壁面から突出して設けられている。
この場合、このデバイスは、マイクロメータオーダの微細装置であり、既存の半導体製造技術（フォトリソグラフィ技術）にて形成され得る。また、突起３は、出口流路２の幅方向に対して流体の流れを非対称にするため、出口流路２の片側壁面のみから突出される構造であり、この非対称構造によって図２に示すように突起３の上流及び下流に渦が発生しやすくなる。更に、この突起３は、各入口流路１から導入される２種類の流体に対して流体層厚さを狭めるような方向に突出されている。また、この突起３については、図２に示すようにその上流あるいは下流で渦を作りやすい構造とするためには、突起３の流体流れ方向に沿う幅がなるべく狭く、また突起先端と流路壁との間隔もなるべく狭いのが好ましい。この場合、突起先端と流路壁との間隔を狭くするとき、流体に対する流路抵抗が高くならないようにある程度間隔を空けることも要求される。従って、これらの条件を勘案して突起３の突出量が決められることになる。具体的には、図３に示すように、出口流路の幅３００μｍ、深さ１２０μｍ、突起３の幅５０μｍ、突起先端と流路壁との間隔２０μｍのように構成することができる。
なお、入口流路１から導入される流体としては、例えば液体、気体、液体中に金属等の微粒子等が分散された固液混合物、気体中に金属等の微粒子等が分散された固気混合物、液体中に気体が溶解せずに分散した気液混合物等が挙げられる。また、例えば２種類の流体の場合としては、化学組成が異なる場合のほか、温度や固液比等が異なる場合も含まれる。
図１では、入口流路１を２本設けた例を示しているが、図４に示すように２本を超える例えば３本の入口流路１を結合したであっても適用することができ、ここでは３種類の流体について出口流路２での流体の混合が可能である。このことは、従来の２液の混合を得るためのマイクロミキサを直列に繋げて３液を混合する場合と比較すると、同時に３種類の流体を混合することが可能であり、速やかな反応に対処することができる。混合は、３種類のみならす更に複数種類の流体につき適用することができる。
【０００７】
さて、このように構成された入口流路１及び出口流路２を有するデバイスにあって、出口流路２の突起形成位置の直下流には、図１及び図３に示すように振動壁４が形成されている。この振動壁４は、流路空間に体積変化を生じさせるための流路壁を構成するもので、振動によって流路が拡大する方向に変位すると共に流路が縮小する方向に変位する。この場合、振動壁４の材質としては、例えば圧電材料を用いたＰＺＴを挙げることができ、振動壁４への振動としては、例えば１５０００回／ｍｉｎの振動数をもって図示省略の振動駆動源により付与される。ここで、必要なことは、流路空間に体積変化を生じさせることで、そのためには、例えば流路内壁のみ拡大あるいは縮小させても良く、あるいは外部からの物理的な振動により流路自体を振動させて結果的に流路内壁の体積変化を生じさせるようにしても良い。もっとも、この構造はデバイス上に形成される微細なものであるため、その微細構造に適合する材料を選択しあるいは振動駆動源、例えば振動に相応する周波数の電圧や磁界を発生する手段を設ける必要はある。図５、図６は、流路空間が体積変化を生じている状態を示しており、図５、図６共上図（i）は流路の拡大、下図（ii）は流路の縮小をそれぞれ示す。なお、図５は、（iii）流路の両側壁を拡大あるいは縮小させる場合、更には（iv）流路の全壁（上下左右）を拡大あるいは縮小させる場合を示し、図６は、（iii）流路の一側壁を拡大あるいは縮小させる場合を示している。このほかにも、拡大縮小パターンは種々考えられ得る。
このように突起３を設け振動を発生させることにより、出口流路２に突起３を設けて渦を発生させやすい状態にするとともに、突起直下流の流路空間にて体積変化を振動によって生じさせることで、下流から上流への流体の逆流が生じ、突起上流及び下流にて実際に渦が発生する。この渦は、混合する流体の比界面積の増大、拡散距離の短縮をもたらし流体を一層混合させることにつながる。
【０００８】
これまでの説明は、流路空間の体積変化を生じさせる部位として、突起３の直下流として述べてきた。しかしながら、体積変化である拡大と縮小によって、突起３の下上流にわたって流体の逆流を発生させることは、流路空間の体積変化を生じさせる部位を突起３の直上流に位置させても同様に発生する。したがって、流路空間の体積変化を生じさせる部位は、突起３の上流でもあるいは下流でも位置させることができる。
更に、これまでの説明は、突起３を出口流路２の片側壁面のみから突出する構造である非対称構造としたが、図７に示すように突起３を出口流路２の両側壁面から突出させることもできる。この場合、流体の流れが、非対称にならないので、図２のような渦を発生しやすい非対称構造ほど渦の発生は期待できないが、流体の混合は可能である。
更に、これまでの説明では、流路空間の体積変化として、流路の拡大及び縮小を述べてきた。しかし、振動によって拡大のみ生じあるいは縮小のみ生じる場合も、程度の差こそあれ逆流が発生し、突起上流での渦の発生をもたらし、流体の混合に寄与する。
このようにして、突起３と流体空間の体積変化により、突起３上流に渦を生じ、この渦により流体の比界面積を増大し拡散距離を短縮させて、速やかな流体の混合を促進することができる。
【実施例】
【０００９】
図８から図１１は、実験の状況の説明と、この実験による渦の発生及び混合結果を示している。実験は、図８に示すように流体の流速を４段階に変化させ、振動場所を変化させ、そして、突起３より下流の出口流路２の流路抵抗を変えた。流体の流速は、１（μｌ／ｍｉｎ）、２（μｌ／ｍｉｎ）、４（μｌ／ｍｉｎ）、８（μｌ／ｍｉｎ）とし、振動場所は突起３から下流５ｍｍ、１０ｍｍ、１５ｍｍとし、流路抵抗は突起３より下流５ｍｍにて流路開放状態と、そのまま流路を引き回した状態とした。図９は、流体の流速を変化させた場合の混合状態を示す。この流速変化の場合には、流速が遅いほど突起上流側に長く大きな渦が生じ、流速が早くなると小さく丸まった渦となる。
また、図１０は、振動場所を変化させた場合の混合状態を示す。振動場所を突起３から５ｍｍの場所では、突起３上流に大きな渦が発生しており、振動場所を突起３から１０ｍｍ、１５ｍｍと遠ざけるに従い突起３の上流に発生する渦は小さくなる。
図１１は、突起３の下流での流路抵抗の大小に基づく混合状態を示す。図１１の上図にて流路をそのまま引き回して流路抵抗がある程度存在する場合、突起３の上流にて大きな渦ができ良好な混合状態であるが、流路を突起から５ｍｍにて開放（切断）した場合、突起３の上流での渦は小さい。このことは、振動による流体の体積変化が、下流に伝わり上流への逆流が少ないためであると考えられる。
このように種々条件を変えて実験を試みたが、いずれにしても突起３の存在と振動による体積変化とによって突起３の下流側での混合が促進された。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
以上のように、本発明にかかるデバイスは、振動を使ったマイクロミキシング装置として有用であり、特に、分析合成用フローチップや化学分析装置に適している。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態の断面構成図である。
【図２】突起による渦の発生状態を示す図である。
【図３】突起の寸法例を示す図である。
【図４】実施形態の他の例の断面構成図である。
【図５】流路の拡大縮小状態の説明図である。
【図６】流路の拡大縮小状態の説明図である。
【図７】流路の拡大縮小状態の説明図である。
【図８】具体的実験例の状況説明図である
【図９】流速を変化させた場合の混合結果を示す図である。
【図１０】振動場所を変化させた場合の混合結果を示す図である。
【図１１】流路抵抗を変えた場合の混合結果を示す図である。
【符号の説明】
【００１２】
１  入口流路
２  出口流路
３  突起
４  振動壁
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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