(57)【要約】【課題】流量を単純に取り扱える制御を可能にできるマイクロポンプおよびそのマイクロポンプの作動方法を提供する。【解決手段】本発明は加熱要素を備えるマイクロポンプを開示するが、このとき実質的な加熱要素のパルス作動は制御装置を用いて行なわれる。加熱要素は、加熱相（Ｔ２）と静止相（Ｔ１）を交互に交代し、このパルス作動に基づいて流量の正確な制御が可能になる。制御装置を用いると、長い日数に渡って流量を一定に保持できる、または流量を迅速かつ正確に変動させることができる。【選択図】図５
2007231952.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱要素を有するマイクロポンプであって、
液体リザーバーへ接続することができて、接続状態において該液体リザーバーと蒸発領域とを液体連絡させる液体輸送要素と、
該液体輸送要素の端部の領域に位置する加熱要素と、
該加熱要素を制御するための制御装置
とを備え、
前記加熱要素が交互に時間Ｔ１には静止相、および時間Ｔ２には加熱相にあり、該静止相および該加熱相が実質的に周期的に交代する結果として加熱要素のパルス作動が発生するような方法で、前記制御装置が信号によって前記加熱要素を制御し、
蒸発した液体だけが輸送要素から分離されるマイクロポンプ。
【請求項２】
マイクロポンプを作動させる方法であって、
該マイクロポンプの液体輸送要素の端部の領域で熱発生を生じさせるように、加熱相を開始させる第１信号を加熱要素に送信する工程と、
送信された信号によって決定される規定された時間Ｔ２にわたって該加熱相を進行させる工程と、
前記液体輸送要素の端部の領域に位置する液体の少なくとも一部分を、発生した熱量によって蒸発させる工程と、
これにより実質的に完全に蒸発した液体が、前記液体輸送要素から排出されて、
前記液体輸送要素の端部の領域が冷却され、このあいだに液体が前記液体輸送要素の端部内に流入するように、時間Ｔ１にわたり前記加熱相を停止させる工程と、
時間Ｔ１後に、新たに加熱相が開始して液体が蒸発するように、第２の信号が送信する工程
とを含み、
前記工程が繰り返され、その結果として前記液体輸送要素の端部内への液体の流入に基づいて所定の流量を設定し、
蒸発した液体だけを輸送要素から分離することを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロポンプ、特に１〜１０００ｎＬ／ｍｉｎの範囲内の低流量にするためのマイクロポンプの制御装置に関する。本発明にしたがったポンプは加熱要素の断続的作動を実施し、パルス式作動モードにもかかわらず一定流量を発生させる。このマイクロポンプを用いると、一定流量での多数の日数の期間にわたる液体輸送を正確に維持することができ、このとき流量は必要に応じて迅速に変更させたり、新たに精確に調節したりすることができる。
【０００２】
本発明には、さらに上記にあげたポンプを備える微小透析システムおよび限外濾過システム、およびそのポンプを作動させる方法が含まれる。
【０００３】
本発明にしたがったマイクロポンプの考えられる使用として、以下ではたとえば微小透析および限外濾過をあげるが、マイクロポンプの使用は概して医療診断の分野において特に有益であることが証明されている。
【背景技術】
【０００４】
以下では糖尿病を手掛かりに微小透析の原理について例示するが、糖尿病ではこの方法が持続的血糖監視のための前途有望なアプローチを提供する。
【０００５】
現在、世界中で１億４千万人を超える人々が糖尿病に罹患している。推定によれば、罹患者の数は今後２５年間に約３億人へ増大するという。糖尿病に罹患した人々の血糖値に対する管理措置が不十分な場合は、発病から数年を経過すると長期合併症が発生する可能性がある。長期合併症としては、たとえば盲目に至る網膜症および腎疾患、神経疾患または冠血管疾患が発生する。その他のリスクは、血糖値が低い場合のいわゆる低血糖性ショック状態で、これは特に夜間には致死性に推移する可能性がある。現在、血糖管理は穿刺器具とテストストリップを用いて実施されている。この場合の短所は特に、血糖値把握頻度が余りに低い（１日当たり１〜４回の測定値）ために血糖濃度の強度の変動（例、食事摂取）が見過ごされてしまうことにある。上記の理由から、高リスク患者（例、インスリン依存型糖尿病患者の場合）では血糖濃度の持続的監視が目指されている。このとききわめて重要なのは、危険な状態を迅速に認識して対応策を講じることができることにある。
【０００６】
持続的血糖監視のための前途有望なアプローチは微小透析の原理を基礎としている。この場合、血糖は間質液から透析膜を通過して透析液中へ拡散する。膜を含んでいる１本のカテーテルを患者の皮下脂肪組織内へ挿入する。カテーテルの下流には電気化学的グルコース・センサが取り付けられている。膜の交換領域内における透析液の滞留時間が十分に長ければ、透析液中のグルコース濃度は間質液中のグルコース濃度へきわめて良好に適応するので、グルコース濃度を正確に測定することができる。このようなカテーテルは通例は数日間利用されるので、マイクロポンプへの重要な要件は例としてあげた応用範囲において設定される。いくつかの要件とは、ほんの一例をあげるとたとえば多数の日数の期間に渡る一定流量、マイクロポンプの精確かつ直接的な制御、低いエネルギー消費量、マイクロポンプをディスポーザブル製品として使用する場合の低い製造コストおよび滅菌可能性である。
【０００７】
先行技術では、使用するチューブの直径に依存して約１００ｎＬ／ｍｉｎまでの流量を達成できるたとえばチューブ圧搾ポンプのような小型ポンプが知られている。先行技術における小型ポンプの開発の焦点となるのは、たいていの場合最小ポンプ容量におけるできる限り高い流量である。しかし、このようなポンプは下記の出力領域では長期間使用すると十分確実に作動せず、達成される流量の相当に大きな変動をほとんど回避できず、特にディスポーザブル製品としてコスト面で有利な製造がきわめて困難であることが証明されている。
【０００８】
さらに微小透析の分野においても限外濾過の分野においても、減圧リザーバー（たとえばピストンが引き上げられているシリンジ）が毛細管区間を通して液体システムと連絡している装置が知られている。この場合の短所は、時間が経過すると非線形圧力推移が生じることにあり、これは大容量の減圧リザーバーの使用でのみ改善することができるが、大容量の減圧リザーバーの使用は同様に短所となる。
【０００９】
低流量を達成するためのまた別の配置は特許文献１から知られている。この配置では、導管内に存在する液体が収着剤と直接に接触させられる。このようなシステムは、典型的には１分間当たり数マイクロリットルの範囲内の流量を示す。
【００１０】
特許文献２は、加熱要素が毛細管の外側に配置されたポンプを開示している。加熱要素が作動すると、毛細管端にある液体が蒸発する結果としてポンプ作用が発生する。
【００１１】
このポンプの欠点は、毛細管端が加熱過程によって加熱され、費用のかかる複雑な温度調節メカニズムによってしか一定流量を保証できないことにある。流量を変化させる場合にも同様に、加熱要素の温度の変化によって流量を変更させる温度調節メカニズムが必要とされる。さらに、温度と流量との関係は非線形かつ物質依存性であることが証明されている。液体および毛細管の熱伝導性および熱容量は流量の温度依存性に影響を及ぼし、正確な調節を保証する本質的要素であり、精密な制御が困難である。したがってこのような温度調節メカニズムは、その調節メカニズムが緩慢であることに基づいて、液体速度をゆっくりとしか変化させることができない。
【００１２】
すでに多数の種類のマイクロポンプが存在するが、先行技術において知られているポンプは前記の要件をしばしば不十分にしか満たしていない。特に、マイクロポンプの単純に取り扱える、費用効率の高い、そして正確な制御が困難であることがしばしば証明されている。
【００１３】
【特許文献１】欧州特許第０７２２２８８号明細書（第４〜５頁、第１図）
【特許文献２】欧州特許出願公開第０５６８０２４号明細書（第３頁、第１Ａ、１Ｂ図）
【特許文献３】欧州特許出願公開第１１６７７５７号明細書（第５〜６頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
そこで本発明の課題は、前記要件を満たし、特に流量の簡単に取り扱える制御を可能にできるマイクロポンプ、およびそのマイクロポンプの作動方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明にしたがった加熱要素を備えるマイクロポンプは、液体リザーバーと接続することができて、閉鎖状態では液体リザーバーを蒸発領域と連絡させる液体輸送要素を含んでいる。加熱要素は液体輸送要素の一方の端部に配置されている。このポンプはさらに加熱要素を制御するための制御装置を含んでいる。制御装置から加熱要素へ送信される信号に基づいて、加熱要素は交互に時間Ｔ１には静止相および時間Ｔ２には加熱相にある。静止相および加熱相が実質的に周期的に交代する結果として加熱要素のパルス作動が発生する。
【００１６】
さらに、本発明の対象は上記の特性を備えるマイクロポンプであるが、このマイクロポンプでは液体輸送要素が液体リザーバーと連絡しており、さらにこの輸送要素は液体で充填されている。
【００１７】
本発明にしたがったポンプが供給されるとき、好ましくは、周囲温度における液体の蒸発による液体の無用な消費を回避するために、輸送要素端部との直接的な液体接触はない。液体と輸送要素端部との接触は、使用者がたとえばポンプを運転させるときに適切な圧力サージによって発生させることができる。輸送要素を適切に加熱することにより定量の液体だけを蒸発させることができる。
【００１８】
本発明にしたがったマイクロポンプは、高度の再現性で流量を一定に維持し、迅速に設定、および調節させることが可能であることを特徴とする。
【００１９】
さらにこのマイクロポンプは、単純かつコスト面で有利に製造できること、および好ましくはプレーナ(planar)技術（例、マイクロ技術）に基づくマイクロ流体システムの製造に適合することを特徴とする。
【００２０】
このマイクロポンプはさらにまた、たとえばβ線、γ線、高圧蒸気およびＥＴＤガス滅菌のような多数の滅菌方法との適合性を特徴とする。
【００２１】
蒸発プロセスによって液体は輸送要素を離れるので、望ましいポンプ作用が流入する液体によって引き起こされる。
【００２２】
蒸発という概念は、本発明の意味においては沸点の下での液体の気化とも、沸点の上での液体の蒸発とも考えられている。
【００２３】
ポンプはたとえば、微小透析において灌流液として使用される液体を輸送するために使用することができる。この場合に灌流液は微小透析システムを通って流れるが、このとき被測定分析物が灌流液内に取り込まれ、微小透析膜の下流で測定される。限外濾過の分野においてポンプが使用される場合は、液体の蒸発によって液体の輸送要素内で低圧が発生させられ、輸送要素は液体輸送要素の周囲からまた別の液体を中へ輸送する。限外濾過においては、このまた別の液体は限外濾過膜を通って患者の身体から導管内に進入する間質液である。たとえば蒸発させるべき液体が間質液へ液体連絡させられる結果として間質液の輸送が引き起こされる。これらの液体はその後液体導管内では相互から分離されて存在する。液体連絡は、たとえば特許文献３に記載されているように気泡もしくは両方の液体と混合不能な液体によって可能にすることができる。
【００２４】
本発明の範囲内では、任意の液体を使用することができるが、好ましくは水溶液が使用される。水溶成分の他に、水溶液は表面張力および／または粘度に影響を及ぼす物質もしくは混合物を含有することができるので、液体輸送要素における液体の流量が影響を受ける。たとえば塩のようにポンプが作動する温度範囲において蒸発不可能な物質は輸送要素での蒸発プロセスによって蓄積して液体輸送要素の目詰まりを引き起こす可能性があるので、液体は、そのような物質を全くもしくはほんの僅かしか含んでいないことが好ましい。したがって液体としては、たとえばアルコールのような完全に蒸発可能な成分が使用されることが有利である。
【００２５】
本発明にしたがったポンプでは、加熱要素は液体輸送要素の端部領域の内側にあり、輸送要素はその端部では蒸発した液体を輸送要素から分離できるように作られている。本発明の範囲では、液体輸送要素の端部領域は、液体が加熱されて蒸発したときに気泡形成が発生しない程度にのみ加熱要素が液体輸送要素の内側に最大限突き出ることによって限定されている。気泡は、実質的に輸送要素内で蒸発していない液体が輸送要素から噴き出すことを引き起こす可能性がある。これにより蒸発した液体だけが輸送要素に到達することが保証される。
【００２６】
本発明にしたがったマイクロポンプは、加熱要素のパルス作動の原理が定量の液体の蒸発を引き起こし、液体蒸発から使用のために十分な連続的ポンプ作用が生じる結果として流量の単純かつ正確な制御が可能になることを特徴としている。下記ではこの原理を手短かに説明する。
【００２７】
加熱要素は、最初は静止相Ｔ１にある。このとき液体輸送要素は実質的に輸送すべき液体で完全に充填されている。時間Ｔ２のあいだは加熱要素が作動させられるので、加熱相では輸送要素の端部が加熱される。放出された熱によって輸送要素の領域内の液体が蒸発する。Ｔ２中に蒸発する液体の量は、加熱要素の毛細管端部の充填度、加熱相Ｔ２の持続時間、供給される熱量、および大気圧における液体の蒸気分圧に依存する。加熱相Ｔ２中には個々の離散した液体部分が蒸発によって気相内へ輸送される。パラメーターＴ１、Ｔ２および／または熱出力の変化によって平均放出熱を正確に計量できるので、そのつど蒸発する液体量を正確に制御することが可能になる。
【００２８】
実質的に完全に蒸発した液体は輸送要素から排出される。輸送要素の内側のたとえば毛細管力に基づいて、液体リザーバーからの液体は輸送要素内へ吸引される。加熱相Ｔ２が終了すると、静止相Ｔ１には輸送要素を充填することができる。しかし輸送要素の完全ではない充填が有用であると証明されることも考えることができる。これについて下記で詳細に説明する。引き続いて新たに加熱要素が作動させられると、その結果として再び定義された液体部分が蒸発する。加熱インパルスがきわめて短時間で連続して加熱要素へ送信されると（短いＴ１時間）、輸送要素の完全な充填を再び保証するために十分な時間がなくなる。新たな加熱インパルスはその後主として静止相中に輸送要素内へ流入した液体量しか蒸発させることができない。静止相Ｔ１の変化およびそれに伴う２種の連続する蒸発プロセス間の間隔は、結果として蒸発する液体の量に影響を及ぼすことができる。この場合、蒸発する液体の量は、完全な充填のための最小時間を下回った場合に毛細管端部の充填度を調節することによって影響を受ける。
【００２９】
したがって加熱相および静止相を制御することによって、蒸発プロセスに直接に影響を及ぼすことができる。このとき蒸発プロセスの制御は、液体リザーバーから輸送要素内へ、用途にとって十分連続的な液体輸送が生じ、その結果望ましい流量が調整されるように行なわれる。したがって望ましい流量は加熱相Ｔ２、静止相Ｔ１の長さおよび熱出力によって制御される。
【００３０】
したがって本発明の範囲内において、パルス式作動モードは、作動モードを上記のパラメーターによって特徴付けることができ、上記のパラメーターの組み合わせがそのつど蒸発させられる液体量とおよびそれに伴って流量に合致することを特徴とする。加熱要素が温度調節メカニズムに基づいて静止相もしくは加熱相において同様に存在できる先行技術とは対照的に、静止相および加熱相は先行技術のように非周期的温度調節メカニズムによって決定されるのではなく、流量の直接的制御に役立つ。
【００３１】
パルス式作動モードは、加熱要素がポンプの作動時間の２０％未満の間作動させられる方法で行なわれるのが有益である。
【００３２】
有益な実施形態では、少なくとも１種のパラメーター（Ｔ１、Ｔ２、熱出力）をマイクロポンプの制御装置によって変化させることができるので、制御装置を用いて流量を調整することができる。制御装置は、適切な使用範囲に適応しているたとえば周期的流量推移を生じさせるプログラム自体を通して制御することができる。この場合には、たとえば液体内へ分析物を受け入れるための流量を周期的にゆっくりさせたり再び加速させたりすることも考えることができる。しかしながら、マイクロポンプの使用者が自分で制御装置をプログラミングする、ないしは必要に応じて適切なパラメーターを変化させることも考えることができる。
【００３３】
加熱要素の連続的作動と比較して、上記のＴ１、Ｔ２および熱出力のあいだの関係によって流量を正確に制御することが可能である。たとえば流量を低下させるには、規定の温度へ調節するためにしばしば複雑な制御ループを必要とする加熱要素の温度低下によって行なう必要がなく、１種もしくは２種以上の上記のパラメーター（Ｔ１、Ｔ２および熱出力）の変調によって行なう。したがって流量変化は直接的に、調節メカニズムによって引き起こされる遅延を伴わずに制御することができる。さらにその上、加熱要素のパルス作動は、静止相Ｔ１中に冷却が行なわれるために輸送要素の過剰な加熱を防止する。ある有益な実施形態では、静止相Ｔ１は輸送要素が実質的に周囲温度へ冷却されるように選択される。これは流量の正確な制御を支援するが、それは連続的作動における輸送要素の加熱が、たとえばより高い制御されていない基本蒸発率を引き起こすからである。
【００３４】
有益な実施形態においては、輸送要素の過剰な加熱を防止するために、追加して加熱相Ｔ２が信号パルスに分割される。これは発生する熱量の精密化とともにマイクロポンプの省エネルギー型作動を引き起こすが、これは電池で作動するポンプではきわめて有益である。この場合に加熱相内のパルスの間隔はきわめて短時間に選択されるので、流入する液体による輸送要素の充填はほとんど行なわれず、その結果即時の蒸発が発生しない。本発明の範囲内では、加熱相は静止相と比較してそのことで相違している。静止相中にようやく輸送要素に新たに液体が充填される程度に液体の流入が発生する。
【００３５】
したがって加熱相は単一信号によって、または上記のように複数の連続して発生するパルス信号によって制御することができる。本発明にしたがったマイクロポンプのためには、最初に加熱がどのような方法で開始されるのかは重要ではない。これは熱量の制御がすでに言及した可能性の他に、パルス長の変更によって、また加熱相内のパルス間の間隔によってより良好に流量を制御できることを示している。
【００３６】
加熱相および静止相を制御するためには、原理的には実質的に周期的に交代するパルスのあらゆる可能な組み合わせが考えられ、それらを用いると一定の流量を調節できる。
【００３７】
マイクロポンプのパルス作動は、周囲温度においてマイクロポンプシステムの気化率が低い場合にも行なうことができるので、低流量の正確な制御も容易に行なわれる。しかし、より高い気化率における作動も考えることができ、その場合にはポンプはその気化率に基づいて静止相においてもポンプの周囲温度での液体の気化によって引き起こされる高い流量を有する。実質的に周囲温度によって引き起こされるポンプ内の液体の気化率は、本発明の範囲内では基礎もしくは基本流量と呼ばれる。これは加熱要素のパルス作動によって再び上昇する可能性がある。高い気化率を有するマイクロポンプの１例は特許文献３に記載されている。このようなポンプは、周囲の十分な温度恒常性が得られる場合には基本流量の準備に追加のエネルギー源を必要としないので、特に省エネルギー作動が可能であるという長所を有している。
【００３８】
実質的に、本発明にしたがったマイクロポンプのパルス作動方法を使用するためには多種多様な材料の選択、材料の組み合わせおよびポンプデザインを考えられることが明らかであるので、加熱要素を備えた特定のポンプ型の使用に限定されない。このとき、マイクロポンプのエネルギー消費量はパルス作動方法によって連続的作動と比較してさらに低下する。
【００３９】
本発明は低流量のための蒸発を基礎とするマイクロポンプの新規原理を可能にする。本発明にしたがったマイクロポンプはその単純性にもかかわらず確実性が高く、低コストで製造することができる。
【００４０】
本発明にしたがったマイクロポンプのたとえば周囲温度もしくは湿度のような外部の影響に対する依存性は先行技術と比較して改善されており、特にそこから液体が蒸発する導管の上方の閉鎖された気層内に収着剤を備える好ましい実施形態では外部の影響が最小限に抑えられる。
【００４１】
すでに上記で言及したように、マイクロポンプの有益な実施形態ではシグナル長、熱出力および／または２つの信号間の時間間隔を制御装置によって変化させることができる。このとき１および複数の大きさの変化を想定できる。たとえば加熱相中のパルスを制御装置によって変化させる加熱要素の断続的制御、およびそれらの間隔によって蒸発させる液体を段階的に分割することが許容されるので、ある好ましい実施形態では制御装置を用いた流量のデジタル式制御が可能になる。たとえば、その場合には制御が制御装置の電気信号によって行なわれる。ある好ましい実施形態では、制御装置の信号は加熱要素としての抵抗加熱装置へ送信されるが、あらゆるその他の加熱要素の形態も考えることができる。したがって、たとえば液体を電磁放射線で加熱する適切な装置を加熱装置として使用することができる。
【００４２】
本発明の意味における液体輸送要素は、液体の輸送を可能にするあらゆる構造であると理解することができる。これはある好ましい形態では、たとえば導管端部内への液体の一部分の流入が少なくとも毛細管力によって引き起こされるように構成されている導管であってよい。マイクロポンプ内には複数の導管もしくはその他の輸送要素も考えることができる。たとえばこのような輸送要素は素線を形成する撚られた、もしくは平行の単線から形成することができる。輸送要素のこのような形態は、この場合は特別な程度で液体の効果的蒸発を発生させることができるので、より高流量のために特に有益であることが証明されている。膜もしくは微小孔性構造も、これらを通すと液体の蒸発が可能になり、輸送要素として考えることができる。この場合に上記の輸送要素は１つの加熱要素もしくは複数の加熱要素を利用できる。このとき複数の輸送要素のために１つの加熱要素が有益である可能性もある。このような実施形態の場合は、輸送要素内に存在する液体によって発生する熱量を転送することができるので、複数の輸送要素のために１つの加熱要素の使用で十分であることが裏付けられる。
【００４３】
１または複数の加熱要素は、１または複数の加熱要素がたとえば導管端部内に存在する方法で輸送要素の領域の内側に配置される。さらにまた、加熱要素を輸送要素の外側に、しかしそれと直接に隣接して配置することも可能である。ここで例として記載する実施形態においては加熱要素は導管端部に隣接しているが、しかし導管の外側に存在する。輸送要素が１枚の膜から形成される場合、これはたとえば多孔性材料が充填された導管から構成できるが、さらにまたたとえば特許文献３に記載されているように１枚の膜を備えた実施形態もまた考えることができる。輸送要素は、好ましくは連続的方法で第２の別の輸送要素と液体連絡していてよい。好ましくは、第２輸送要素が同様に第２液体リザーバーと連絡している結果として第１輸送要素の内側では第１および第２液体リザーバーからの液体が混合される。この実施形態は、輸送すべき液体が蒸発しにくい物質を含有しているので、これらの物質の輸送要素端部での濃縮および沈殿が発生する可能性がある場合には特に有用である。したがって輸送される液体を第２液体リザーバーを用いて希釈することは輸送要素の目詰まりを防止し、長期間にわたる安定した液体輸送を保証する。
【００４４】
実質的に完全に蒸発した液体は、たとえば輸送要素からマイクロポンプの周囲へ排出させることができる。しかし、周囲もしくは任意で収着領域がポンプの蒸発領域の少なくとも一部分であるように、蒸発した液体を収着領域内へ誘導する可能性があることが有益である。
【００４５】
収着領域は液体輸送要素の外側に配置されており、収着剤を含んでいる。この場合に収着剤は蒸発した液体を受け入れることができるので、液体は実質的に完全に収着剤によって捕捉され、蒸発領域内の蒸気圧は実質的に一定のままとなる。ポンプの蒸発領域の蒸気圧の他に、液体の輸送量はすでに上記で述べたように温度に依存し、温度はこれまた同様に特に液体の粘度に影響を及ぼす。液体の粘度および表面張力は温度が上昇すると低下する。温度の上昇は、気化率とは全く反対方向に作用する。したがって流量の変動を引き起こす可能性があるマイクロポンプの流量と周囲の温度とのあいだの複雑な関係が明らかになる。これは、基本流量が周囲の特性に対して直接的依存性を有しているために、特に高い基本流量を有するポンプにおいて当てはまる。収着剤を適切に選択することによって周囲条件の依存性が僅かであることが保証されるので、上記の好ましい実施形態によって障害の影響が実質的に排除される。
【００４６】
輸送すべき液体の総量が収着剤の収容能力によって限定される収着剤を備えたポンプの例は特許文献３に記載されている。このポンプの概念は、その中に収着剤が存在する１つの気層内の膜による調節された液体輸送に基づいている。蒸気圧を飽和蒸気圧下で維持するためにチャンバー内の収着剤に達する限り、液体は膜からチャンバー内へ気化させられる。気化した液体に基づいて、膜における毛細管力によって液体は連続的に液体リザーバーから引き渡される。収着領域のアナログ配置と組み合わせた本発明にしたがったマイクロポンプの実施形態は、流量制御を改善するとともに蒸気圧の依存性の促進を可能にする。
【００４７】
「収着剤」の概念には吸着剤も吸収剤も含まれている。収着剤としては、たとえばシリカゲル、分子ふるい、酸化アルミニウム、セルライト、陶土、活性炭、硫酸ナトリウム、五酸化リン等が適切である。
【００４８】
また別の有益な実施形態では、たとえば微小透析もしくは限外濾過システムにおけるマイクロポンプの周囲温度は人体と密接に接触させることによって広範に一定に保持される。この場合は、そうすればほぼ一定の周囲温度を保証できるので、ポンプが存在するハウジングを身体表面と直接に接触させるのが有益である。さらに周囲の安定した温度調節は、ポンプシステムの身体に隣接していない側を熱絶縁することによって強化することができ有利である。周囲の有害な影響に対する流量の依存性はこれにより同様に広範に最小限に抑えられる。
【００４９】
さらにその上、本発明の主題はマイクロポンプを作動させる方法でもある。第１信号の送信によって、マイクロポンプの液体輸送要素内での熱発生が輸送要素端部の領域で引き起こされる加熱相が開始される。送信された信号に依存して、定義された時間Ｔ２に渡って加熱相が発生する。発生した熱量に基づき、輸送要素の内側に存在する液体の少なくとも一部が蒸発する。実質的に完全に蒸発した液体は輸送要素から排出される。加熱相が終了すると輸送要素端部の領域が冷却され、このとき輸送要素端部にある液体の少なくとも一部が流入する。第１信号の送信から一定時間Ｔ１の後に、新たな加熱相を開始させる第２信号が送信される。すると新たに輸送要素から液体が蒸発する。上述のような加熱相と静止相の繰返しの開始によって、液体は一定流量が調整される方法で輸送要素端部内に流入する。
【００５０】
本方法の有益な実施形態はすでに説明したように明らかである。本発明はさらに上記のようなポンプを備える微小透析および限外濾過システムを含んでいるが、このとき微小透析および限外濾過システムは、液体中の１または２以上の分析物を検出するために微小透析および限外濾過システムの下流に配置されたセンサを有しているのが有益である。限外濾過システムでは、すでに上記で説明したように体液が膜を通して導管内へ吸引されるので、体液中の１または２以上の分析物を検出することができる。微小透析のためには、分析物を受け入れるために微小透析カテーテルを通して導かれる蒸発させるべき液体として灌流液を直接に使用できる。あるいはまた、たとえばリンゲル液のような液体連絡が行なわれている多数の液体を用意することも可能である。このとき限外濾過では、体液を限外濾過カテーテル内に吸引する導管内で低圧を発生させるために蒸発プロセスが使用される。
【発明の効果】
【００５１】
本発明のマイクロポンプおよび当該マイクロポンプを用いる方法においては、液体輸送要素と、その端部に位置する加熱要素と、加熱要素を制御する制御装置を含んで、加熱装置が、加熱相と静止相を交互に交替させる結果としてパルス作動を行うので、液体輸送要素の端部からの液体の蒸発量を正確に制御でき、高度の再現性で流量を一定に維持し、迅速に調節、変化させることが可能となった。また、このマイクロポンプは、単純かつコスト面で有利に製造でき、好ましくはプレーナ技術に基づくマイクロ流体システムの製造に適合する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５２】
下記では図面を手掛りに本発明についてより詳細に説明する。
【００５３】
図１は、マイクロポンプの構造を示している。ポンプのコアを占めるのは、黄銅製ジャケット２内にあるスチール製素線である。図１において、該ジャケット２の外径Ｄは約１．５ｍｍであり、内径ｄは約０．７ｍｍ程度である。加熱要素３は素線の端部にあるコンスタンタン巻線から作られている。コンスタンタン線の抵抗は実質的に温度非依存性であるので、加熱要素の出力Ｐには下記の式が当てはまる：
【００５４】
【数１】
2007231952.tif 000003
【００５５】
ここで、Ｕ＝電圧およびＲ＝抵抗である。
生成する熱量Ｑについては相当に近似して下記が当てはまる：
【００５６】
【数２】
2007231952.tif 000004
【００５７】
ここで、ｔは抵抗に電流が流れる時間である。
選択された時間において適合する電圧の制御を通して生成する熱量を決定することができる。生成する熱量Ｑは、さらにまた蒸発した液体の容積Ｖと直接に比例している：
【００５８】
【数３】
2007231952.tif 000005
【００５９】
このとき比例定数Ｋは、静止相における液体の温度から出発して液体を蒸発させるために必要な液体特異的熱量によって決定される。
【００６０】
したがって流量Ｖは熱容量に直接比例している：
【００６１】
【数４】
2007231952.tif 000006
【００６２】
約１００μｍの断面積を有するスチール製素線が、液体輸送要素を形成する。加熱装置３はコネクター４と結合されている。スチール製素線の他方の端部では、液体輸送要素が導管を通して液体リザーバー５と連絡している。この液体連絡はたとえばエポキシ樹脂６のような適切な接着剤を用いて密封されている。輸送要素内には、輸送すべき液体７が存在し、電気信号による加熱要素３の作動によって図１において蒸気８によって概略示されている液体の蒸発が発生する。この結果、ポンプ作用が発生し、生成した熱量に依存して流量が調節される。図示されたマイクロポンプを用いると、たとえば１〜１０００ｎＬ／ｍｉｎの流量を達成することができる。
【００６３】
図２は、液体輸送要素が１枚の膜１０によって形成されるマイクロポンプを示している。膜１０は液体リザーバー５と連絡している。膜１０には２つの加熱要素３が配置されている。加熱要素が作動させられると、加熱要素で生成した熱は輸送すべき液体７を用いて膜の内側へ転送される。すると膜から収着領域１４内への均一な液体の蒸発が発生する。収着領域では、収着剤１５が蒸発した液体を吸収する。収着領域１４はポンプハウジング１６によって閉鎖されている。図示されたマイクロポンプの配置を用いると、ポンプの機能方法を実質的にたとえば湿度のような周囲の特性とは無関係に保証することができる。膜構造の毛細管作用および収着領域内の一定の蒸気圧を保証する収着剤に基づいて、追加の加熱装置を使用せずにポンプ作用が達成される結果として基礎または基本流量が引き起こされる。したがって図示された配置はマイクロポンプの基礎または基本流量より高流量の適切な制御を可能にする。
【００６４】
図３（ａ）および３（ｂ）は、たとえばそのつど加熱相Ｔ２（３０）中に電流Ｉによって生成される３個のパルス３１を含むパルス順序を示している。加熱相３０後には電流が中断される結果として静止相Ｔ１（３３）における熱出力は直ちにゼロになる。加熱相中の熱出力は図示された例では一定である。図３（ａ）と図３（ｂ）は、図３（ｂ）では加熱相中の熱出力が低いことで相違している。加熱相および静止相の時間長さは図３（ａ）および３（ｂ）で同一である。熱出力の低下は図示された条件下では生成する熱量の低下をもたらすので、図３（ａ）と比較して低い流量が生じる。
【００６５】
図３（ｃ）は、例として出力が同一である場合に加熱相Ｔ２（３０）が３つの同一長さのパルス３５に分割されている加熱相および静止相中のパルス順序を示している。パルス３５は時間ｔのパルス休止３２によって中断される。このときパルス休止およびパルスの時間は同一に選択されている。最終加熱パルス後に、静止相Ｔ１（３３）が開始する。静止相は３つの短い加熱パルス３４の組み合わせパルスによって中断されるが、このとき加熱パルス３４間のパルス休止はパルスの時間より著明に長い。新たに静止相３３および加熱相３０が続く。
【００６６】
加熱相３０に基づいて輸送要素内で定義された熱発生が起こる。短時間の連続して続くパルスの選択によって、輸送要素端部が過剰に加熱されることなく発生する熱量を正確に制御することができる。熱発生に続いて、輸送要素内に存在する液体が蒸発する。このとき加熱相中には新たな輸送要素端部の充填は行なわれない。静止相３３中に初めて輸送要素端部への充填が新たに行なわれるが、このとき液体は液体リザーバーから輸送要素端部内へ流入する。加熱パルス３４は、静止相中の流量の落ち込みを発生させることなく一定のポンプ出力を保証するために役立つ。さらにその上加熱パルス３４は、余りに長い静止相が選択された場合に発生する可能性がある流量の変動を回避する。これは蒸発した液体の流入が加熱インパルスの終了からしばらく経過してから始まるので、本システムのある種の慣性によって説明できる。したがってたとえば加熱パルス３４によって示されるような低出力の加熱ブロックの挿入は、ほんの僅かなエネルギー消費量で一定の流量を可能にする。繰返し静止相３３の後には新たに加熱相３０が開始する。
【００６７】
図示されたパルス順序は多数の可能性の１例に過ぎないと理解しなければならない。ここに記述したパルスの組み合わせおよびその他の変形はマイクロポンプの制御装置における適切な電子機器において容易に転換することができる。
【００６８】
図４は、例として加熱装置を制御するために使用されるブロック図を単純化して示している。パルス発生装置は、デジタル／アナログ変換器４１を用いて出力最終段４２を通して加熱要素４４と接触させられている制御装置ないしはマイクロプロセッサー４０を含んでいる。
【００６９】
電気供給源４３を用いてパルス発生装置に電流が加えられる。図４（ｂ）に示されているようなパルス順序を発生させるために、プログラム可能なマイクロプロセッサーがそれに適切な、製造業者が準備したプログラム言語でプログラミングされる。略図で示されたパルス順序に基づいて下記では個々のプログラミング工程を詳細に説明する。このときプログラミング工程は、説明にはそのつど示されていないが、そのつど１回の休止を含めて行なわれる。
【００７０】
まず最初にプログラムを進行させるための開始命令が与えられ、
マイクロプロセッサーが第１パルス中の出力に相当する電圧値、および
第１パルスの時間を伝える結果として図３に類似して第１のパルス３１が定義される。
【００７１】
引き続いて、
第２パルス休止中の出力に相当する電圧値、および
第１パルス休止の時間が決定されて、伝えられる。
【００７２】
パルスをｎ回繰り返すために、上記の工程を用いて反復命令が定義される。
【００７３】
上記のプログラミング工程は、既に図３（ｃ）で具体的に説明されたような第１の加熱相３０を生じさせる。
【００７４】
引き続いて、
第１の長い休止中の出力に相当する電圧値、および
第１の長い休止の時間が伝えられる結果として静止相３３が成立する。
【００７５】
加熱相および静止相の周期的反復のために、再びここで説明した工程によって反復命令が特徴付けられる。
【００７６】
マイクロポンプについてはこれ以上詳細に説明しないが、プログラム進行を停止させるための停止命令が行なわれると、実質的にポンプ作用が行なわれない、または高い蒸発率を備えるマイクロポンプ（図２参照）の場合には適切な基礎流量が再び達成される。
【００７７】
制御装置ないしはマイクロプロセッサーの明白な指示にしたがって生成したデジタルデータセットはＤ／Ａ変換器からアナログ時間／電圧曲線へ転換される。この時間／電圧曲線は、たとえば図４（ｂ）に示されているパルス順序に一致する。
【００７８】
出力を電源から取り入れる出力最終段でパルス順序は増幅され、加熱要素によって加熱電流として伝えられる。
【００７９】
ここで示したパルス順序は一例であると理解しなければならない。原理的には、たとえば上記で述べた原理にしたがってより複雑なパルス順序をプログラミングかつ生成させることができる。全く同様に、温度もしくは流速を把握するためにセンサを通してのフィードバックによって流量の調節を達成することも可能である。この場合には流量の調節は、たとえばパルスもしくは休止の長さまたは出力電力へ影響を及ぼすことによって行なうことができる。そのような流量の調節は特に非周期的パルス順序を用いて引き起こすことができる。
【００８０】
図５は、ポンプサイクルの時間経過の概略を図示している。ポンプサイクルの初期に、ポンプ本体２の内部にある液体輸送要素１が本質的に液体７で満たされる。抵抗加熱要素が、該輸送要素の端部の領域に位置する。もし加熱要素がパルスによって作動されると、加熱要素はＴ２の時間加熱相にある。加熱相Ｔ２のあいだ、液体は輸送要素の端部の領域から蒸発する。いったん蒸気８が輸送要素から、蒸発し、加熱相Ｔ２が終了すると、液体は輸送要素の端部の領域に逆流する。つぎにポンプは静止相Ｔ１にいる。静止相Ｔ１のあいだ、輸送要素の端部はふたたび液体で満たされポンプ内に液体の流れが形成される。流入する液体は、システム内の液体の輸送をもたらすポンプ動作を結果する。ポンプサイクルは図５（ａ）〜（ｃ）による新しい加熱パルスによって反復される。
【００８１】
さらに、本発明のポンプは、液体中の１または２以上の分析物を検出する微小透析および限外濾過システムにも応用される。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】加熱要素を備えるマイクロポンプの図である。
【図２】高い基本蒸発率および吸着領域を備えるマイクロポンプの図である。
【図３】加熱相および静止相中のパルス順序の図である。
【図４】パルス発生器の回路図である。
【図５】本発明のポンプサイクルを示す概略図である。
【符号の説明】
【００８３】
２  ジャケット
３、４４  加熱要素
４  コネクター
５  液体リザーバー
８  蒸気
１０  膜
１４  収着領域
３０  加熱相（Ｔ２）
３１、３４、３５  加熱パルス
３３  静止相（Ｔ１）
４０  制御装置（マイクロプロセッサー）
４３  電気供給源
【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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