(57)【要約】  液滴および/または気泡生成器。本発明は、気泡または液滴を生成するためのデバイスに関係し、これは-  第1の圧縮相を含む空洞(7)と、-  第2の相の少なくとも1つの入力毛細管(6)と、-  少なくとも1つの入力毛細管(6)と同軸上に整列された出力毛細管(1)とを備え、少なくとも1つの入力毛細管(6)の先端(4)の開口部は出力毛細管(1)の内径の半分より小さい内径を有し、空洞(7)の断面は、使用時に、前記空洞内の平均速度場が準静的になるように選択されることを特徴とする。
2020525269.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気泡または液滴を生成するためのデバイスであって、
-  第1の圧縮相を含む空洞(7)と、
-  第2の相の少なくとも1つの入力毛細管(6)と、
-  前記少なくとも1つの入力毛細管(6)と同軸上に整列された出力毛細管(1)と、
を備え、
前記少なくとも1つの入力毛細管(6)の先端(4)の開口部は前記出力毛細管(1)の内径の半分より小さい内径を有し、
前記空洞(7)の断面は、使用時に、前記空洞内の平均速度場が準静的になるように選択されることを特徴とするデバイス。
【請求項２】
第1の相の貯槽(23)に接続されている第1の相入力管(20)を備え、
前記貯槽(23)内の圧力は第1の圧力調節器(25)によって調節される、請求項1に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第1の相入力管(20)は、流れを測定するための手段(22)を備える、請求項2に記載のデバイス。
【請求項４】
第2の相の貯槽(16)に接続されている第2の相入力管(15)を備え、
前記貯槽(16)内の圧力は第2の圧力調節器(18)によって調節される、請求項1から3のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第2の相入力管(15)は、流れを測定するための手段(14)を備える、請求項4に記載のデバイス。
【請求項６】
使用時に、前記出力毛細管(1)内の前記デバイスによって生成される液滴(2)を観察するための手段(29)を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記液滴(2)を観察するための手段に接続されている制御ユニット(9)を備え、
前記制御ユニット(9)は前記液滴の直径を決定し、所定の値に従って前記第1の圧縮相の圧力および前記第2の相の圧力を制御し前記液滴(2)の直径を調節する、請求項6に記載のデバイス。
【請求項８】
前記空洞(7)は、温度調節手段を備える、請求項1から7のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記入力毛細管(6)の前記先端は、微細加工または3Dマイクロプリンティングによって得られるノズルを備える、請求項1から8のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記入力毛細管は、タイプABCの複合エマルジョンを生成するための少なくとも2つの同軸毛細管を備える、請求項1から9のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記液滴の直径は、前記入力毛細管(6)の前記先端の前記出力の直径より少なくとも2倍大きい、請求項1から10のいずれか一項に記載のデバイスを使用する方法。
【請求項１２】
前記入力毛細管の流量Qd、および連続相の流量Qcは、システムが滴りレジームにおいて動作するように選択される、請求項11に記載のデバイスを使用する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明のデバイスは、マイクロサイズの単分散液滴および/または気泡(micro-sized and monodisperse droplets and/or bubbles)の大流量生成のためのマイクロ流体デバイス(microfluidic device)である。
【背景技術】
【０００２】
本発明のデバイスは、最初に、既存のシステムでは完全に適合することができない高生産性乳化を必要とする様々なマイクロ流体アプリケーションのために開発された。これは、一方ではその技術仕様により、また他方ではそれが頼る物理的機構により非常に堅牢で再現性の高い仕方で長期間にわたって液滴を生成することを可能にする。本発明のデバイスは、したがって、既存の解決手段では生産段階に到達できなかった化学および医薬品産業のための統合液滴生産システムの開発の非常によい出発点である。
【０００３】
気泡および液滴は、Shelley Lynn Annaによる「Droplets and Bubbles in Microfluidic Devices」Annual Review of Fluid Mechanics, 48(l):285〜309頁、2016年1月において説明されているような適切に制御された方式で化学種を混合する、溶解する、反応させる、結晶化する、または輸送するためのマイクロ流体力学において確立された基本構成要素である。気泡および液滴を発生させる最も一般的な構成は、T接合、フローフォーカシング、および並行流であり、後者は分散されるべき相がマイクロチャネル壁と決して接触せず、これらの壁の手間のかかる多くの場合にほんのつかの間の湿潤性処理を回避するという固有の利点を有する。並行流内の液滴形成は、レイリー-プラトー不安定性に頼り、したがって、分散相と連続相との間に界面張力を必要とする。
【０００４】
並行流基本状態の局所的安定解析により、絶対不安定性-群速度がゼロであり、それにより空間内で局所的に増大する摂動に対する-と対流不安定-群速度が正であり、したがって流れとともに移流する摂動に対する-との遷移が決定される。滴りから噴射への遷移は、図1に例示されているように、絶対/対流不安定性遷移とおおよそ一致することが一般に受け入れられており、このことは、Pierre Guillot、Annie Colin、Andrew S. Utada、およびArmand Ajdari「Stability of a Jet in Confined Pressure-Driven Biphasic Flows at Low Reynolds Numbers」、Physical Review Letters、99(10):104502頁、2007年9月による潤滑近似の枠内の制限流構成について示されているとおりである。
【０００５】
乳化生産性を高めることを目的として、Weitzらは、「Monodisperse Double Emulsions Generated from a Microcapillary Device」Science、308(5721):537-54頁、2005年4月で説明されているように流れを絞り(図1c〜図1dを参照)、滴り/噴射遷移をより高い流量に移すために閉じ込め並行流構成の追加の抽出管を導入した。この構成で生成される液滴のサイズを記述するモデルは、「Predicting sizes of droplets made by microfluidic flow-induced dripping」Soft Matter、7、8757〜8761頁、2011年で説明されているようにErbらによって開発されている。実際、滴りレジームは実用上噴射レジームより好ましいが、それは、固定された固有モードにより絶対不安定性に関連付けられるからであり、状況は単分散液滴の生成にとって好ましい。それと反対に、噴射レジームは、広帯域の不安定モードを有し、ノイズ増幅器のような振る舞いをし、通常は液滴サイズにおいてある程度の分散を引き起こす、対流不安定性に関連付けられている。
【０００６】
閉じ込め構成における噴射および滴りレジームは、連続相により分散相上に加えられる剪断応力の影響を受け、そのため、システムがサポートできる最大圧力低下の制限を受ける(Andrew S. Utada、Alberto Fernandez-Nieves、Jose M. Gordillo、およびDavid A. Weitz「Absolute Instability of a Liquid Jet in a Coflowing Stream」Physical Review Letters、100(1):014502、2008年1月を参照)。
【０００７】
WO2016/085739において、Weitzらは、同心円状管が液滴内に複雑な液滴を生成する別の閉じ込め構成を説明している。この文献では、外管がデバイス全体を閉じ込める。この閉じ込めは、前記外管内で反対方向に2つの相を注入することによって必要になり、第3の液体が内部同心円状入力管を通して注入され、三元生成液滴が内部同心円状出力管によって抽出される。WO2016/085739では、準静的速度場をもたらす外部空洞を開示していない。
【０００８】
近年、Gordilloのグループによって提案された、新しい構成が、図1eに示されているような注入管(A. Evangelio、F. Campo-Cort'es、およびJ. M. Gordillo、「Simple and double microemulsions via the capillary breakup of highly stretched liquid jets」Journal of Fluid Mechanics、804:550〜577頁、2016年10月)の前に周囲閉じ込めなしで抽出管を置くことによる有望な代替的手段を明らかにした。したがって、連続相は、抽出管内で加速され、それにより、圧力低下を、ベンチュリ管と全く同じように生じる。Gordilloおよび共同研究者らは、この圧力低下を利用して、さらに不安定になって微小気泡になる、分散相の引き伸ばされた空気ジェットを形成したが、この仕組みは「チップストリーミング」と称される。連続相の大きなレイノズル数については、圧力低下は慣性によって律則されるが、低いレイノズル数については、むしろ粘性力によって律則される。この後者の条件も、単純なダブルエマルジョンを生成するために同じ著者らによって利用されている。
【０００９】
閉じ込め構成(図1a〜図1d)と比較して、図1eに例示されている非閉じ込め構成は、圧力低下が抽出管内で局在化されているだけなのでより高い生産性を可能にする。しかしながら、これは、噴射レジームでは排他的に作用し、したがって単分散性に有利ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第2016/085739
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】Shelley Lynn Anna「Droplets and Bubbles in Microfluidic Devices」Annual Review of Fluid Mechanics, 48(l):285〜309頁、2016年1月
【非特許文献２】Pierre Guillot、Annie Colin、Andrew S. Utada、およびArmand Ajdari「Stability of a Jet in Confined Pressure-Driven Biphasic Flows at Low Reynolds Numbers」、Physical Review Letters、99(10):104502頁、2007年9月
【非特許文献３】Weitzら「Monodisperse Double Emulsions Generated from a Microcapillary Device」Science、308(5721):537-54頁、2005年4月
【非特許文献４】Erbら「Predicting sizes of droplets made by microfluidic flow-induced dripping」Soft Matter、7, 8757〜8761頁、2011年
【非特許文献５】Andrew S. Utada、Alberto Fernandez-Nieves、Jose M. Gordillo、およびDavid A. Weitz「Absolute Instability of a Liquid Jet in a Coflowing Stream」Physical Review Letters、100(1):014502、2008年1月
【非特許文献６】A. Evangelio、F. Campo-Cort'es、およびJ. M. Gordillo、「Simple and double microemulsions via the capillary breakup of highly stretched liquid jets」Journal of Fluid Mechanics、804:550〜577頁、2016年10月
【非特許文献７】「Particle Size Characterization」Special Publication 960〜961頁、2001年1月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、エマルジョンを生成するためのデバイスまたは液滴生成器に関するものであり、これは
-  第1の圧縮相を含む空洞と、
-  第2の相の少なくとも1つの入力毛細管と、
-  少なくとも1つの入力毛細管と同軸上に整列された出力毛細管とを備え、
少なくとも1つの入力毛細管の先端の開口部は出力毛細管の内径の半分より小さい内径を有し、空洞は出力毛細管の断面の表面の少なくとも2倍(好ましくは4倍)の出力毛細管に垂直な断面を備えることを特徴とする。
【００１３】
有利には、空洞は、デバイスに送り込むすべての入力毛細管および生成された液滴を抽出する出力毛細管の内側寸法より大きいすべての寸法を有する。好ましくは、空洞のすべての寸法は2mmより大きく(有利には、4mmより大きく)、すべての入力および出力毛細管の内径は1mmより小さい。
【００１４】
空洞の断面は、使用時に、前記空洞内の平均速度場が出力毛細管に比べて少なくとも2分の1(好ましくは4分の1)であるように有利には選択される。この特徴は、出力毛細管内の連続相の圧力低下を特定し、それによってシステムの潜在的生産性を高めることを可能にする。有利には、前記空洞内の速度場は準静的である。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明において、速度場は、空洞が出力毛細管の断面の表面の少なくとも10倍の出力毛細管に垂直な断面を備えるときに準静的であると考えられる。
【００１６】
好ましくは、出力毛細管は、1mm未満、有利には500μm未満の水力直径を有するマイクロ流体毛細管であり、空洞は、3mmを超える、好ましくは5mmを超える、すべての寸法を有する巨視的空洞である。
【００１７】
水力直径DHは、非円形管およびチャネル内の流れを取り扱うときに一般に使用される用語である。これは
【００１８】
【数１】
2020525269.tif 000003
【００１９】
のように定義され、
Aは流れの断面積であり、
Pは、断面のぬれ縁である。
円筒形チャネルの場合、水力直径は幾何学的直径に等しい。
【００２０】
空洞は、使用時に準静的速度場を可能にする限り球体、平行六面体、または卵形であってもよい。
【００２１】
異なる毛細管は任意の断面形状をとり得るが、好ましくは円筒形である。
【００２２】
好ましくは、入力毛細管の先端と出力毛細管の捕集端との間の距離dは、入力毛細管の先端の内径のプラス2およびマイナス2倍の間にある。
【００２３】
有利には、空洞は、第1の相の貯槽に接続されている第1の相入力管によって送り込まれ、前記貯槽内の圧力は第1の圧力調節器によって調節される。好ましくは、前記第1の相入力管は流量を測定するための手段と、最終的に、流れに対する前記管の抵抗を修正するための手段とを備える。
【００２４】
それに対応して、第2の相は、好ましくは、第2の相の貯槽に接続されている第2の相入力管によって送り込まれ、前記貯槽内の圧力は第2の圧力調節器によって調節され、好ましくは、前記第2の相入力管は流量を測定するための手段と、最終的に、流れに対する前記管の抵抗を修正するための手段とを備える。
【００２５】
有利には、本発明のデバイスは、使用時に、出力毛細管内のデバイスによって、生成される液滴を観察するための、顕微鏡に接続されているカメラなどの手段を備える。その場合、空洞は、好ましくは、最終的に石英などのIRまたはUV放射線を透過する材料から作られる、透明窓を備える。後者の場合、UVは、たとえば、ポリマーを硬化させる目的で、または蛍光観察の目的で使用され得る。
【００２６】
好ましくは、本発明のデバイスは、液滴を観察するための手段に接続されている制御ユニットを備え、前記制御ユニットは液滴直径をリアルタイムで決定し、所定の値に従って第1および第2の相の圧力を制御し液滴直径を調節する。この値は、たとえば、ユーザによって制御ユニット内に導入されるターゲット値である。
【００２７】
有利には、空洞は温度調節手段を備える。これは、温度がキーパラメータである化学を目的としてシステムが使用されるときに特に有用である。
【００２８】
好ましくは、入力毛細管の先端は微細加工または3Dマイクロプリンティングによって得られるノズルを備え、この後者のプロセスが好ましいプロセスである。
【００２９】
有利には、入力毛細管は、タイプABC、ABCD、ABA、...の複合エマルジョンを生成するための2つまたはそれ以上の同軸毛細管を含み、各層の湿潤状態または混和性の程度は関係しない。
【００３０】
本発明の別の態様は、液滴の直径が入力毛細管の先端の出力直径より少なくとも2倍大きい本発明のデバイスを使用する方法に関係する。
【００３１】
本発明の方法では、入力毛細管の流量Qdおよび連続相の流量Qcは、有利には、システムが絞りレジームとも称される滴りレジームにおいて動作するように選択される。
【００３２】
好ましくは、本発明の方法は、
-  本発明によるデバイスを提供するステップと、
-  流量Qcで第1の相(連続相)を空洞に送り込むステップと、
-  流量Qdで第2の相(分散または液滴相)を入力毛細管に送り込むステップと、
-  第1の相内に分散された第2の相の液滴の生成されたエマルジョンを捕集するステップとを含む。
【００３３】
有利には、本発明の方法は、QcおよびQdを決定してターゲット液滴直径を決定する初期ステップを含む。
【００３４】
好ましくは、本発明の方法は、液滴直径のリアルタイム測定に基づき閉ループ調節によってQcおよびQdを連続的に調節し、前記直径をターゲット値にできる限り近くなるように維持するステップを含む。
【００３５】
有利には、流量は、第1および第2の相送り込みシステムに印加される圧力を制御することによって調節される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】従来技術の設備を表す図である。
【図２】本発明による実験の顕微鏡写真を表す図である。
【図３】本発明のデバイスの概略図である。
【図４】本発明による典型的なノズル幾何学的形状を表す図である。
【図５】異なる入力および出力を備えるシステムの金属本体部を示す本発明のデバイスの一例の写真を示す図である。
【図６】図5のデバイスの窓を通る入力および出力毛細管を示す拡大写真である。
【図７】本発明において開発されたモデルの異なるパラメータを表す図である。
【図８】いくつかのα.γ=50mNm-1およびμc=5mPasに対応する実験データ(*)およびラインの図である。分散相:水。連続相:界面活性剤を含まない鉱物油。
【図９】連続相流量Qc.γ=50nNm-1およびμc=5mPasの関数として液滴直径2Rを表す図である。分散相:水。連続相:界面活性剤を含まない鉱物油。
【図１０】本発明の一例のマイクロ流体回路に対する電気的なアナロジーを表す図である。
【図１１】液滴直径の連続的な制御および調整のためのフィードバックループを表す図である。
【図１２】二相エマルジョンに対するシステム全体の概略図である。
【図１３】相流量の関数として液滴直径を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
［参照記号のリスト］
1.出力または捕集器毛細管
2.第2の(すなわち、分散)相の液滴
3.第1の(すなわち、連続)連続相の流れ
4.入力毛細管の先端にあるノズル
5.空洞壁
6.入力毛細管
7.空洞
9.制御ユニット
10.出力毛細管バルクヘッド
11.追加の空洞アクセス部(一般的に閉じたバルクヘッド)
12.分散相入力毛細管バルクヘッド
13.分散相入力流動抵抗手段
14.分散相入力流量計
15.分散相入力管
16.分散相密封容器
17.圧力入力管
18.分散相のための圧力調節ユニット
19.連続相入力に対するバルクヘッド
20.連続相入力管
21.連続相流動抵抗手段
22.連続相流量計
23.連続相容器
24.連続相に対する加圧管
25.連続相のための圧力調節ユニット
26.出力管
27.エマルジョン
28.窓
29.カメラ
【００３８】
本発明の一般的構成は、図2および図3に例示されている。本発明のシステムは、高生産率で単分散液滴または気泡を発生させることができる。この設備では、システムは、滴り(または絞り)モードで動作するように最適化されている。興味深いことに、この滴りレジームでは、注入ノズル4のサイズは液滴/気泡2の所望のサイズの約2分の1であり、これはGordilloのグループによって詳しく調べられた噴射レジームでは不要な要件である。たとえば、100μmの液滴を生成するために、内径40μmのノズル4が設計され、図2に例示されているように、抽出管1の前に置かれた。
【００３９】
米国標準技術局(NIST)の標準によれば、粒子(この場合は液滴または気泡)分布は、分布の少なくとも90%がメジアン径の5%以内にある場合に単分散であると考えられ得る(「Particle Size Characterization」Special Publication 960〜961頁、2001年1月)。これは、正規分布については、2%未満の標準偏差対平均直径比に相当する。
【００４０】
この構成では、システムは、いわゆる閉じ込められていない絞り流(unconfined squeezed flow)で動作し、空洞7は出力毛細管1よりかなり大きい断面を有する連続相を含み、それにより、空洞内の速度場は、出力毛細管1の捕集端の大きな距離のところでゼロに近い。空洞と出力毛細管との間の連続相の速度差は、界面活性剤なしでの気泡発生の場合のベンチュリ管を生産する場合のように、ベルヌーイ方程式に従って、または界面での剪断力によって決まる液滴発生の場合のストークスの方程式に従って、大きな圧力低下を誘発する。
【実施例】
【００４１】
3Dプリンティングされたノズル
図2に示されているノズル4は、3Dプリンタを使用してプリントされたものである。UV重合材料は、電子機器において広く使用されているSU-8に類似する感光性樹脂であり、これは、大半の油および溶媒に対する非常に優れた耐性を確実にする。ノズルの内側幾何学的形状は、動作時に漏出も詰まりも生じることなく、容易に導入し、次いで毛細管を接着剤で接着することを確実にするように設計されている。その目的のために、ステップ形状の幾何学的形状が使用される。内側断面は、ノズル入口から円錐形部分の基部まで1ステップずつ減少する。それによって、毛細管は、円錐基部の両方の部分の間のギャップを最小にしながらノズルの円筒形部分の端部に容易に導入できる。これは、一方では接着プロセスの間に接着剤が毛細管の中に到達しないようにし、他方では、毛細管がノズル軸と完全に整列されるようにする。3Dプリンティングされた単一エマルジョンノズルの典型的なサイズおよび幾何学的形状は図4に示されている。
【００４２】
ノズル先端において、小液滴の形成を促進するために2つの条件が満たされなければならない。第1に、エッジ幅は、出て来る液体が最小限度の樹脂領域を濡らすようにできる限り小さくなければならず、第2に、円錐先端の角度は、エッジを濡らす液体が円錐外側面上に広がらないように十分に急勾配でなければならない(図5b)。
【００４３】
毛細管
前に述べたように、2つの毛細管1、6は本発明のデバイスの一部であり、一方がその端部でノズル4を支持し、分散相を運び、他方1は液滴捕集用であり、図3に示されているとおりである。これらは、好ましくは、液滴を目またはカメラの観察のために見えるようにする20μmのポリイミド透明フィルムでコーティングされた溶融シリカから作られる。
【００４４】
ステンレス鋼、炭化タングステンなどの他の材料は、場合によっては、透明性が必要ないときに入力および出力毛細管1、6に使用することも可能であろう。
【００４５】
ステンレス鋼本体部
図5は例のデバイスの機械部品の全体的画像を示している。
【００４６】
連続相で充填され、2つの整列された毛細管を含むステンレス鋼貯槽は、本発明の非閉じ込め滴り構成を可能にする。これは、毛細管導入用の2つの窓28および2つの接続システム10、12が組み立てられる本体部を備える。他の側面では、2つの接続部11、19が連続相の供給およびパージの接続を意図したものである。
【００４７】
窓28は、好ましくは、溝に挿入されたOリングシール上に押し付けられる幅1mmのガラス円板から作られる。石英窓は、UVまたはIR光透過が必要なアプリケーションにも利用可能である。このシステムは、洗浄を目的とする空洞7へのアクセスが非常に簡単に行えるようになっている。窓28の厚さは、粒子サイズまたは動作圧力に合わせて適合され得る。
【００４８】
液滴サイズの予測モデル
このモデルは、システム内の流量と液滴直径との間の関係を確定することを目的とするものである。これは、デバイス内のキャリブレーション済み液滴(または気泡)の生成に対する初期作業パラメータを決定するための予測ツールとして使用される。このモデルは、有利には、閉ループ調節システムを使用することによって液滴サイズを調節するために使用され、カメラ29に接続されているコントローラユニット9が液滴直径を決定し、前記コントローラユニット9に接続されている圧力コントローラ18、25によって相に印加される圧力を修正する。
【００４９】
モデルは、液滴に印加される粘性力Fμがノズル先端に付着した液滴を保持する表面張力Fγより大きくなったときに液滴がノズル先端から脱着するという仮定に基づく。この粘性力は、次のように流れている溶液中の球形粒子に対して修正されたストークスの式を使用することによって近似される。
Fμ=6πμc(R-a)(vc-vd)  (1)
Rは液滴半径であり、aはノズル先端の半径であり、μcは連続相の粘度であり、vcは連続相の速度であり、vdは分散相の速度である(図7を参照)。R-aの項は、ノズル先端の断面が粘性力から増大する液滴の部分を遮蔽するように働くという事実を反映している。速度vcおよびvdは、システム内の流量およびその関連付けられている断面積から推定される。両方の相に対する断面積は液滴の半径Rが増大することにより可変であることに留意されたい。このことを考慮すると、速度は、
【００５０】
【数２】
2020525269.tif 000004
【００５１】
および
【００５２】
【数３】
2020525269.tif 000005
【００５３】
として表され、R2は出力毛細管の先端の内半径である。
【００５４】
支配的な慣性力
【００５５】
【数４】
2020525269.tif 000006
【００５６】
がある場合、空洞(断面Σ1)と出力毛細管(断面Σ2)との間の圧力差により表面張力に対抗する支配的な項はベルヌーイ力Fρである。
【００５７】
【数５】
2020525269.tif 000007
【００５８】
ρcは連続相の密度であり、Σ1およびΣ2はそれぞれ空洞内の遠い場所の断面積および出力毛細管の入口のところの断面積である。液滴生成は、空洞内の速度
【００５９】
【数６】
2020525269.tif 000008
【００６０】
が出力毛細管内の速度
【００６１】
【数７】
2020525269.tif 000009
【００６２】
と比較して無視できるくらい小さいようなΣ1>>Σ2に対してより適切に働く。R2-Rの項は、液滴の断面が出力毛細管の断面の一部を遮蔽するように働くという事実を反映している。
【００６３】
表面張力は
Fγ=2παγ    (2)
であり、
γは連続相と分散相との間の界面張力であり、これは付着した液滴の形状が細長であるとした場合に縦方向に施されると仮定される。
【００６４】
2つの力に対するこれらの表現は、近似の結果であるので、
Fμ+Fρ=Fγα    (3)
などの力平衡に対する式に補正係数αが加えられる。
支配的な粘性力
【００６５】
【数８】
2020525269.tif 000010
【００６６】
の場合、Fρは無視することができ、それらの力に対して式1および2を入れると式3は
【００６７】
【数９】
2020525269.tif 000011
【００６８】
になる。
ここで
【００６９】
【数１０】
2020525269.tif 000012
【００７０】
は粘性力対表面張力の相対的効果を表すキャピラリ数である。Qd<<Qcと仮定することによって、最後の式は
【００７１】
【数１１】
2020525269.tif 000013
【００７２】
と簡素化される。
【００７３】
破裂時の液滴直径は、代数的二次方程式の解となり、その唯一の物理的に意味のある解は
【００７４】
【数１２】
2020525269.tif 000014
【００７５】
である。
αを決定するために、式5は
【００７６】
【数１３】
2020525269.tif 000015
【００７７】
のように書かれる。
項Aは幾何学的パラメータを含む。次いで、log(A)は実験から出て来るデータを使用してlog(Cα)に対してプロットされる。図8に示されているように、実験データは、α=0.08およびα=0.2に対応する両方の直線の間に配置される。次いで、臨界キャピラリ数に対する平均値、α=0.12を仮定すると、液滴直径2Rは連続相流量Qcの関数としてプロットされる(図9)。
【００７８】
支配的な慣性力
【００７９】
【数１４】
2020525269.tif 000016
【００８０】
の場合、Fμは無視することができ、それらの力に対して式(1')および2を入れ、
【００８１】
【数１５】
2020525269.tif 000017
【００８２】
を使用すると、式3は
【００８３】
【数１６】
2020525269.tif 000018
【００８４】
を与える。
ここで、
【００８５】
【数１７】
2020525269.tif 000019
【００８６】
は連続相に基づくレイノズル数である。
【００８７】
圧力に対する予測モデル
この節では、所望の連続相流量を得るために連続相に加わる圧力を予測する電気回路のアナロジー(または集中化モデル)が提案されている。このモデルは、一方のチャネル上で修正された圧力が他方のチャネル上の流量に影響を及ぼすことを回避するために回路内で使用されるべき流動抵抗値を提供することもできる。言い換えると、正しい流動抵抗を使用することで、結果として、2つのチャネル内で独立した流量が得られる。
【００８８】
電気回路のアナロジーは、図10のスキームに基づく。PcおよびPdは、それぞれ、連続相および分散相に印加される圧力であり、RcおよびRdは、ノズルの上流の、それぞれ、連続相および分散相に対するチャネルの流動抵抗である。Qは両方の流量の総和であり、Rsはノズルの下流のチャネルの流動抵抗である。電気的なアナロジーに従い、P、Q、およびRの間の関係式は
P=QR  (8)
などの、オームの法則に類似している。
【００８９】
次いでこの「流体回路に対するキルヒホッフの法則」は回路全体に適用され、Qは
【００９０】
【数１８】
2020525269.tif 000020
【００９１】
として表される。
【００９２】
抵抗値は、ハーゲン-ポアズイユの式
【００９３】
【数１９】
2020525269.tif 000021
【００９４】
を使用して評価され、
Liは管長であり、diは管口径であり、ΔPiはLiにわたって生じる圧力低下であり、次いで、(このモデルではコネクタにおけるΔPは無視される)
【００９５】
【数２０】
2020525269.tif 000022
【００９６】
として定義される。
【００９７】
(9)におけるRsの評価では、出力流の粘度が連続相の粘度に等しいと仮定する。これは、一般的に、連続相の流量が液滴の流量より大きい場合によい近似となる。
【００９８】
連続的流量の関数で液滴のサイズを予測するために得られた結果と併せて、提示されているモデルは、本発明のデバイスのユーザが運転開始圧力値を使用して所望の液滴サイズおよび流量を生成することを可能にする。次いで、図11に示されているように、フィードバックループを使用して液滴生成プロセスにおいて連続的に圧力の微調整が操作され得る。液滴の測定された直径は、ターゲット値と比較され、最初に、実験作業設備に対応する最良のα係数を定め、次いで、サイズ要求条件を満たすように圧力を連続的に適合させる。
【００９９】
実験結果
実施例の液滴生成に対する設備は、図12に示されている。液滴形成を見るために高速カメラ29および顕微鏡システムが典型的には使用される。液滴サイズおよび液滴生成速度を推定するためにビデオが記録され、その後分析される。各流体の流れは、各流体を駆動するために管17、24を通して注入される圧縮空気を使用する圧力コントローラ18、25によって駆動される。流量計14、22と併せて、圧力コントローラ18、25は、非常に短い応答時間および脈動のない液体流により両方の流量を微調整することを可能にするが、これは単分散性を達成するために有利である。各チャネル内で、流量は圧力に比例し、流動抵抗に反比例する。これらの抵抗は、以前に開発された予測モデルを使用して設計され、ノズル先端のところの圧力を均一にするために設備に加えられ、これにより、逆流を回避し、両方のチャネルの間に干渉がないことを確実にする。言い換えると、両方の相の流量が劇的に異なる場合、典型的には10:1の比であっても、動作圧力は類似した圧力でなければならない。その要求条件は、抵抗の選択を通じて満たされる。最後に、抵抗は動作範囲を広げるのにも役立ち、それにより流量比はより正確な制御で調整することができる。
【０１００】
試験済み設計では、ノズル4の出力直径は40μmであり、ノズル4と捕集器の毛細管1との間の距離dは40μmであり、最後に、捕集器の毛細管の内径は180μmであった。
【０１０１】
システム内に入り込むダストを最小限度に抑えるために、ポンプでシステムに送られる流体は細孔サイズ0.2μmのフィルタに通してすでに濾過されており、フィルタが一体化されたフェルールは、ノズル4に至る管内でインラインフィルタとして使用される。
【０１０２】
水とエタノールの水溶液の液滴がシリコンまたは鉱物油中で生成された。たとえば、直径125μmの水滴は1707Hzの生成速度、100μl/分の流量で生産された。この値は、より低い流動抵抗またはより強力なポンプを使用することによって高めることが可能なことは確かである。
【０１０３】
これらの試験の1つが図13に報告されており、連続相の高い流量において、液滴サイズは分散相の流量と無関係になることがわかる。
【０１０４】
この実験で到達する液滴流量に対する50μl/分の最大値は同じ条件の下でガラスチップを使用して得られる滴り-噴射の遷移に比べて高いことを指摘しておくことは無駄ではない。さらに、コーティング腐食性のある化学物質の液滴の長期にわたる生成に使用されたときに重大な湿潤問題が一般的に観察される疎水性コーティングを有するガラスチップとは異なり、長期運転における湿潤問題は報告されていない。
【符号の説明】
【０１０５】
1  抽出管
1、6  毛細管
2  液滴/気泡
4  注入ノズル
7  空洞
9  コントローラユニット
10、12  接続システム
11、19  接続部
14、22  流量計
17、24  管
18、25  圧力コントローラ
28  窓
29  カメラ
【図１】
2020525269.tif 000023
【図２】
2020525269.tif 000024
【図３】
2020525269.tif 000025
【図４】
2020525269.tif 000026
【図５】
2020525269.tif 000027
【図６】
2020525269.tif 000028
【図７】
2020525269.tif 000029
【図８】
2020525269.tif 000030
【図９】
2020525269.tif 000031
【図１０】
2020525269.tif 000032
【図１１】
2020525269.tif 000033
【図１２】
2020525269.tif 000034
【図１３】
2020525269.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】令和2年2月27日(2020.2.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
気泡または液滴を生成するためのデバイスであって、
-  第1の圧縮相を含む空洞(7)と、
-  第2の相の少なくとも1つの入力毛細管(6)と、
-  前記少なくとも1つの入力毛細管(6)と同軸上に整列された出力毛細管(1)と、
を備え、
前記少なくとも1つの入力毛細管(6)の先端(4)の開口部は前記出力毛細管(1)の内径の半分より小さい内径を有し、
前記空洞（７）のすべての寸法は、3mmを超えているとともに、前記出力毛細管(1)は、500μm未満の水力直径を有することを特徴とするデバイス。
【請求項２】
第1の相の貯槽(23)に接続されている第1の相入力管(20)を備え、
前記貯槽(23)内の圧力は第1の圧力調節器(25)によって調節される、請求項1に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第1の相入力管(20)は、流れを測定するための手段(22)を備える、請求項2に記載のデバイス。
【請求項４】
第2の相の貯槽(16)に接続されている第2の相入力管(15)を備え、
前記貯槽(16)内の圧力は第2の圧力調節器(18)によって調節される、請求項1から3のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項５】
前記第2の相入力管(15)は、流れを測定するための手段(14)を備える、請求項4に記載のデバイス。
【請求項６】
使用時に、前記出力毛細管(1)内の前記デバイスによって生成される液滴(2)を観察するための手段(29)を備える、請求項1から5のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項７】
前記液滴(2)を観察するための手段に接続されている制御ユニット(9)を備え、
前記制御ユニット(9)は前記液滴の直径を決定し、所定の値に従って前記第1の圧縮相の圧力および前記第2の相の圧力を制御し前記液滴(2)の直径を調節する、請求項6に記載のデバイス。
【請求項８】
前記空洞(7)は、温度調節手段を備える、請求項1から7のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項９】
前記入力毛細管(6)の前記先端は、微細加工または3Dマイクロプリンティングによって得られるノズルを備える、請求項1から8のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記入力毛細管は、タイプABCの複合エマルジョンを生成するための少なくとも2つの同軸毛細管を備える、請求項1から9のいずれか一項に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記液滴の直径は、前記入力毛細管(6)の前記先端の前記出力の直径より少なくとも2倍大きい、請求項1から10のいずれか一項に記載のデバイスを使用する方法。
【請求項１２】
前記入力毛細管の流量Qd、および連続相の流量Qcは、システムが滴りレジームにおいて動作するように選択される、請求項11に記載のデバイスを使用する方法。
【国際調査報告】
2020525269.tif 000036
2020525269.tif 000037
2020525269.tif 000038
2020525269.tif 000039
2020525269.tif 000040