(57)【要約】【課題】マイクロ混合器内部での液体の流れは、レイノルズ数が非常に小さく、その流れは層流状態を保つ。このため液体を混合する場合には、混合流路内に、凹凸などの固体障害物を設置することで、混合効率を高めることが可能であるが、圧力損失が大きくなる問題が発生していた。【解決手段】本件発明では、混合すべき複数の液体を混合流路に導くための複数の導管と、混合流路と、混合流路を流れる液体に対して露出配置される気泡と、からなるマイクロ混合器を提供する。またさらに混合流路を形成する流路壁には、気泡を少なくとも一時的に固定する凹部が設けられているマイクロ混合器を提供する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合すべき複数の液体を混合流路に導くための複数の導管と、
混合流路と、
混合流路を流れる液体に対して露出配置される気泡と、
からなるマイクロ混合器。
【請求項２】
混合流路を形成する流路壁には、気泡を少なくとも一時的に固定する凹部が設けられている請求項１に記載のマイクロ混合器。
【請求項３】
露出配置される前記気泡は、混合流路を流通する液体が蛇行するようにちどり配置されている請求項１または２に記載のマイクロ混合器。
【請求項４】
露出配置される前記気泡は、混合流路を流通する液体の流速が変化するように対向配置されている請求項１または２に記載のマイクロ混合器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本件発明は、医療や環境、化学などの分野において用いられる、μ−ＴＡＳ（micro total analysis system）と呼ばれる微小な化学分析装置に用いられるマイクロ混合器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロスケールの微小空間内で反応を効率的に行うマイクロデバイスの有用性が認識されている。このマイクロデバイスは、反応場の均一性が高く、熱制御性が容易で、省エネルギー化が容易に行えるなど、優れた特徴を有している。
【０００３】
このようなマイクロデバイスには数多くのメリットがある一方で、微小な空間で混合や反応を行うために、流路内での流れはスケール効果により相対的に表面力が支配的になり、体積力の効果が小さくなるためレイノルズ数が非常に小さくなり流れは層流状態を保つ。そのため乱流などの対流よる混合効果は期待できず、主に液液界面を通しての分子拡散によってのみ混合が行われる。このため、特許文献１に示したマイクロ混合器では、混合または反応目的の流体とは別に、他の流体と反応することのない流体を通流させることで、反応または混合効率を高めている。
【特許文献１】特開２００３−１６４７４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１に示したマイクロ混合器では、混合のために通流させる流体を分離する必要が生じる。また、単に混合流路内に、凹凸などの固体障害物を設置することで、混合効率を高めることが可能であるが、圧力損失が大きくなる問題が発生していた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで、本件発明では次に示すマイクロ混合器を提供する。すなわち第一の発明としては、混合すべき複数の液体を混合流路に導くための複数の導管と、混合流路と、混合流路を流れる液体に対して露出配置される気泡と、からなるマイクロ混合器を提供する。
【０００６】
第二の発明としては、混合流路を形成する流路壁には、気泡を少なくとも一時的に固定する凹部が設けられている第一の発明に記載のマイクロ混合器を提供する。
【０００７】
第三の発明としては、露出配置される前記気泡は、混合流路を流通する液体が蛇行するようにちどり配置されている第一の発明または第二の発明に記載のマイクロ混合器を提供する。
【０００８】
第四の発明としては、露出配置される前記気泡は、混合流路を流通する液体の流速が変化するように対向配置されている第一の発明または第二の発明に記載のマイクロ混合器を提供する。
【発明の効果】
【０００９】
本件発明により、圧力損失が少なく混合効率の高いマイクロ混合器を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本件発明の実施の形態について、添付図面を用いて説明する。なお、本件発明は、これら実施形態に何ら限定されるべきものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において、種々なる態様で実施し得る。
【００１１】
実施形態１は、主に請求項１および２などに関する。
【００１２】
実施形態２は、主に請求項３などに関する。
【００１３】
実施形態３は、主に請求項４などに関する。
【００１４】
<実施形態１>
<実施形態１  概要>
本実施形態は、複数の液体を混合する混合流路において、混合流路内に気泡を露出させたことを特徴とするマイクロ混合器である。混合流路内に気泡を露出させることで、混合流路の壁面に凹凸を形成し、液体の混合効率を高めている。また気泡は、混合流路を形成する流路壁に凹部を設け、凹部に気泡を固定している。
【００１５】
<実施形態１  構成>
図１に本実施形態のマイクロ混合器を説明するための概念図を示した。本実施形態のマイクロ混合器は、混合すべき複数の液体を混合流路に導くための複数の導管（０１０１、０１０２）と、混合流路（０１０３）と、混合流路を流れる液体に対して露出配置される気泡（０１０４）と、からなる。また、気泡は混合流路を形成する流路壁に設けられた凹部（０１０５）に一時的に固定されている。
【００１６】
導管は、混合すべき液体を混合流路に導くための管である。配置される導管の数は、混合すべき液体の数に応じて変化させればよい。また導管を構成する管の直径は、混合流路に導く液体の量に応じて適度な直径とすることが望ましい。
【００１７】
混合流路は、導管から流入する複数の液体が混合される管である。混合流路内には気泡が露出しており、この気泡と液体の気液界面が障害となり、混合すべき液体の拡散効果が高まり混合効率が向上する。
【００１８】
気泡は、気体によって構成され、この気体が混合流路の流路壁に一時的に固定されている。この気泡を構成する気体は、混合すべき液体に溶解または反応しない物質を選定する。例えば、反応性の低い希ガスなどを用いることが望ましいが、混合すべき液体に応じて選定する必要がある。
【００１９】
凹部は、混合流路の流路壁に設けられ、気泡を一時的に固定している。この凹部の形状は、図１のような形状であってもよいが、図２の（ａ）のように半円形（０２０１）や（ｂ）のように三角形（０２０２）などの多角形であってもよい。この凹部の形状によって気泡を固定する吸着力を変化させることが可能となる。例えば、気泡と凹部の接触面積を小さくすれば、気泡を固定する吸着力も小さくなり、逆に気泡と凹部の接触面積を大きくすることで、気泡を固定する吸着力を大きくすることが可能となる。従って、凹部の内壁に微細な凹凸を設けることで、気泡と凹部の接触面積を大きくし、吸着力をさらに大きくしてもよい。
【００２０】
図２の（ｃ）および（ｄ）には凹部を有する部分の混合流路の断面図を示した。図２の（ｃ）のように、混合流路（０２０３）の上下または左右の2次元方向のみに凹部（０２０４、０２０５）を配置しても良いが、（ｄ）のように混合流路（０２０６）の上下と左右の3次元方向に凹部（０２０７、０２０８、０２０９、０２１０）を配置してもよい。
【００２１】
<マイクロ混合器の作成方法>
マイクロ混合器はフォトレジストとPDMS（Polydimethlsiloxane）を用いて作成する。この作成手法は一般的にマイクロチャンネルを作成する方法として普及している方法でよい。まず平板上にスピンコーとしたフォトレジストを加熱硬化させた後、導管や混合流路のパターンを印刷した透明フィルムをその上にのせ、紫外線により露光する。その後現像液にて処理し、露光部分を凸状の型として成形する。それに熱硬化樹脂を被せるように固化させ、さらにそれを剥がし、ガラス板に貼り付けて所望のマイクロ混合器とする。
【００２２】
<実施形態１  効果>
本実施形態のマイクロ混合器のように、混合流路内に気泡を露出させることにより、圧力損失が小さくかつ、混合効率の良いマイクロ混合器を提供することが可能となる。
【００２３】
<実施形態２>
<実施形態２  概要>
本実施形態は、混合流路に露出配置される気泡が、互い違いにちどり配置されていることを特徴としたマイクロ混合器である。
【００２４】
<実施形態２  構成>
図３の（ｂ）に本実施形態を説明するための概念図を示した。図３にはマイクロ混合器全体と混合流路の拡大図を示している。本実施形態のマイクロ混合器は、露出配置される気泡が、混合流路を流通する液体が蛇行するようにちどり配置されている。図３の（ａ）および（ｃ）は後述する混合実験において比較するための混合装置であって、（ａ）は、単純Ｙ字型混合器で（ｃ）は、ちどり配置固体障害混合器である。
【００２５】
ちどり配置とは、図３の（ｂ）ように、混合流路内にて向かい合って配置される気泡が、液体の流通方向に互い違いに配置されている状態である。このように気泡をちどり配置することで、混合すべき液体の流通速度の変化は小さくなり、液体は蛇行して流れることとなる。これにより、圧力損失が小さく、混合高性能の高いマイクロ混合器を提供することが可能となる。
【００２６】
<単純Ｙ字型混合器およびちどり配置固体障害混合器との比較>
<混合実験の方法>
混合実験は、着色した2種類の液体を、2本の導管から本実施形態のマイクロ混合器および単純Ｙ字型混合器、固体障害混合器の混合流路にシリンジポンプにて流入させ、混合流路内での混合状況を顕微鏡にて観察した。流路寸法は直径100μｍとし、混合すべき液体２種類は青と黄色に着色した水を用い、流量４μｌ／ｍｉｎで導管から混合流路へ流入させた。濃度の算出は、混合流路の画像をPCにて取り込み、画像中のRGBの数値を測定することにより濃度を算出した。混合性能の評価は、後述のＣＦＤ解析あるいは前述の顕微鏡で得られた画像情報から、混合流路長手方向（２液が流通する方向）に垂直な断面内について濃度を算出し正規化する。そしてその断面内の最大濃度と最小濃度を得て、（最大濃度−最小濃度）／最大濃度（％）を、その断面での濃度差とする。この濃度差が混合流路からの拒絶理由通知が短い間に小さくなる場合には、そのマイクロ混合器の混合性能が高いことを意味している。
【００２７】
さらに、単純Ｙ字型混合器において濃度差が１０％となる断面の混合流路入り口からの距離をＬ０とし、対象とするマイクロ混合器において、濃度差が１０％となる断面の混合流路入り口からの距離をＬとして、距離の短縮率を意味するＲ＝（Ｌ／Ｌ０）を算出する。そして、混合向上率＝１−Ｒの評価を行った。
【００２８】
また、混合実験とは別に、ＣＦＤ解析を行った。ＣＦＤ解析は汎用熱流体解析ソフトを用い、混合実験において作成したマイクロ混合器を再現し、濃度と圧力損失についての評価を行った。
【００２９】
<実験結果>
図４に混合流路入り口からの距離に対する混合すべき２種類の液体の濃度差を示している。各実験結果において、各プロットで示されているのは、実際の混合実験において得られた結果であり、線にて示されているのはＣＦＤ解析によって得られた結果である。本実施形態のちどり配置気泡障害混合器の場合、単純Ｙ字型混合器に比べより混合が大きく促進されていることがわかる。またちどり配置固体障害混合器と本実施形態のちどり配置気泡障害混合器を比較すると、ＣＦＤ解析の結果から本実施形態のちどり配置気泡障害混合器は、ちどり配置固体障害混合器より若干混合は遅れるが大きな差ではないことがわかる。混合向上率では、単純Ｙ字型混合器に比べ、本実施形態のちどり配置気泡障害混合器は、約８０％向上した。また、図５にＣＦＤ解析によって得られた圧力損失の分布を示した。単純Ｙ字型混合器に比べ、ちどり配置固体障害混合器は、圧力損失が２．４倍と大きくなっていることがわかる。一方で本実施形態のちどり配置気泡障害混合器の場合、単純Ｙ字型混合器に比べ０．７４倍と減少に転じている。これは、気泡と液体の接触面である気液自由界面では剪断力が働かないためである。以上の結果から、本実施形態のちどり配置気泡障害混合器の方が圧力損失が小さく、また混合性能を向上させることが可能であることを示している。
【００３０】
<実施形態２  効果>
本実施形態のちどり配置気泡障害混合器により、単純Ｙ字型混合器に比べ混合効率が高いマイクロ混合器を提供することが可能となる。またちどり配置気泡障害混合器と同様な混合流路パターンを有するちどり配置固体障害混合器にくらべて、圧力損失の小さいマイクロ混合器を提供することが可能となる。
【００３１】
<実施形態３>
<実施形態３  概要>
本実施形態は、混合流路に露出配置される気泡が、対向するように対向配置されていることを特徴としたマイクロ混合器である。
【００３２】
<実施形態３  構成>
図６の（ｂ）に本実施形態を説明するための概念図を示した。図６にはマイクロ混合器全体と混合流路の拡大図を示している。本実施形態のマイクロ混合器は、露出配置される気泡が、混合流路を流通する液体の流速が変化するように対向配置されている。なお、図６の（ａ）および（ｃ）は後述する混合実験において比較するための混合装置であって、（ａ）は、単純Ｙ字型混合器で（ｃ）は、対向配置固体障害混合器である。
【００３３】
対向配置とは、図６の（ｂ）のように、混合流路内にて向かい合って配置される気泡が、液体の流通方向に正面に対向するように配置されている状態である。このように気泡を対向は位置することで、混合すべき液体の流通速度が変化し、液体は蛇行して流れることとなる。これにより圧力損失が小さく、混合高性能の高いマイクロ混合器を提供することが可能となる。
【００３４】
<単純Ｙ字型混合器および対向配置固体障害混合器との比較>
<混合実験の方法>
混合実験の実験方法および実験条件については、実施形態２の混合実験の方法とほぼ同様であるため詳細な説明は省略する。
【００３５】
<実験結果>
図７に混合流路入り口からの距離に対する混合すべき２種類の液体の濃度差を示している。各実験結果において、各プロットで示されているのは、実際の混合実験において得られた結果であり、線にて示されているのはＣＦＤ解析によって得られた結果である。本実施形態の対向配置気泡障害混合器の場合、単純Ｙ字型混合器に比べより混合が大きく促進されていることがわかる。また対向配置固体障害混合器と本実施形態の対向配置気泡障害混合器を比較すると、混合性能はほぼ同様な結果となっている。混合向上率では、単純Ｙ字型混合器に比べ、本実施形態の対向配置気泡障害混合器は、約５７％向上した。また、図８にＣＦＤ解析によって得られた圧力損失の分布を示した。単純Ｙ字型混合器に比べ、対向配置固体障害混合器は、圧力損失が３．２倍と大きくなっていることがわかる。一方で本実施形態の対向配置気泡障害混合器の場合、単純Ｙ字型混合器に比べ０．４２倍と減少に転じている。
【００３６】
<実施形態３効果>
本実施形態の対向配置気泡障害混合器により、単純Ｙ字型混合器に比べ混合効率が高いマイクロ混合器を提供することが可能となる。また対向配置気泡障害混合器と同様な混合流路パターンを有する対向配置固体障害混合器にくらべて、圧力損失の小さいマイクロ混合器を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施形態１のマイクロ混合器を説明する概念図
【図２】実施形態１のマイクロ混合器を説明する概念図
【図３】実施形態２のマイクロ混合器を説明する概念図
【図４】実施形態２のマイクロ混合器を用いたときの混合状態を説明するグラフ
【図５】実施形態２のマイクロ混合器を用いたときの圧力損失を説明するグラフ
【図６】実施形態３のマイクロ混合器を説明する概念図
【図７】実施形態３のマイクロ混合器を用いたときの混合状態を説明するグラフ
【図８】実施形態３のマイクロ混合器を用いたときの圧力損失を説明するグラフ
【符号の説明】
【００３８】
０１０１  導管
０１０２  導管
０１０３  混合流路
０１０４  気泡
０１０５  凹部
【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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【図８】
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