マイクロミキサー
【課題】本発明は、μTAS（MicroTotal Analysis System）に代表されるマイクロ流体素子における流体混合操作に関して、特別な攪拌子を配置せずとも流路形状のみで効果的な混合が進むスタティックマイクロミキサーの流路構造およびその製造方法を提供する。
【解決手段】合流後の流路（主流流路 1）の左右一方の側を主流流路の底部よりさらに深く掘りこみ、下流にむけて、主流流路の左右別の側まで斜めに掘り込む流路（支流流路 ２）を適切な形状寸法で形成することによって、流路形成領域を流れる流体の流動断面が縦横に伸縮回転し重ね合わさる効果を起こさしめ、混合流路の下流に向けて、この効果を繰り返し起こさせることによって、流体要素の層間距離を縮小し混合を促進する手段をとる。図２
【解決手段】合流後の流路（主流流路 1）の左右一方の側を主流流路の底部よりさらに深く掘りこみ、下流にむけて、主流流路の左右別の側まで斜めに掘り込む流路（支流流路 ２）を適切な形状寸法で形成することによって、流路形成領域を流れる流体の流動断面が縦横に伸縮回転し重ね合わさる効果を起こさしめ、混合流路の下流に向けて、この効果を繰り返し起こさせることによって、流体要素の層間距離を縮小し混合を促進する手段をとる。図２
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体（数μｍ 〜数100μｍオーダーの流路寸法を流れる流体）の混合操作（マイクロミキシング）において、その混合操作部の構造およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学分析装置、生化学分析装置等の小型化を目的としたμＴＡＳ（μ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）が注目され、遺伝子分析チップ、化学合成チップ、生化学合成チップ、環境分析チップ等への応用が期待されている。これらの小型化が実現すると、従来の分析装置と比較して試料、試薬、廃液等の少量化、測定時間の短縮、システム全体の消費電力の低減、低コスト化、携帯性等の有益性が期待されることから、多種多様な研究が行われている。これらの分析システムの構成要素の一つに、微小領域で混合を行うためのマイクロミキサーがある。一方、マイクロ流路（マイクロチャネル）では、チャネルの寸法、流速が共に小さいことから、レイノルズ数が２００以下程度である事例が多い。レイノルズ数が小さい場合、マイクロチャネル内において乱流が起こりにくく、層流が支配的となる。したがって、流体の混合は、流体同士の接触界面による拡散混合が主となり、単に合流させるだけでは、効率的な混合ができない。
【０００３】
この混合を効率的に行うために、たとえば、特許文献１では、マイクロ流路の底面・側面に斜めの凹凸を配置した流路によって、また特許文献２では、流路内部に螺旋の突起（または凸凹状螺旋）をつけた流路によって、ともに流体の螺旋流れを生み出し混合効率を上げる方法が提案されている。また特許文献３では、主流とは別に製作された支流から流体を流入させカオス混合による混合効率の向上が述べられている。
【特許文献１】特開2005-199245
【特許文献２】特開2006-142210
【特許文献３】特許第3629575
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来提案されてきた文献１に示される断続的に形成された凹凸溝や、文献２に示される主流内部につけられた凹凸状の螺旋溝のみでは、螺旋流れが起こるが、混合効率が小さいという問題がある。また文献３の方法では、複数の支流流路と流体制御のためのポンプが必要になり、分析機器に求められる小型化・低コスト化とはならない問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、安価で混合効率が大きいマイクロミキサーおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、マイクロ流路の主流流路から分岐した別の連続的な支流流路を主流流路の下部に形成することで、主流と支流が流れ方向に大きく交互に流体移動を繰り返す手段を提案する。この手段によれば、流動方向の流動断面の引きのばしと折りたたみが繰り返し起こり、流体層間の距離が指数関数的に減少する。図２は層間距離の減少の様子を示したものである。すなわち、同図の１〜７の順番に断面の伸縮と回転重ね合わせの操作を繰り返す場合を考える。支流流路の効果はどの場合も同じであるので、１→２と同じ回転操作を繰り返すこととみなせる。ここで、１→２の操作は、１の着色領域を縦に伸ばし横に縮小し、２の着色領域に並行に移り、また１の白領域は、縦に伸びて横に縮小させた白領域を１８０°回転させて着色領域の右に合わせる操作である。以上のように、一回の操作で、層間距離は１/２となるので、n番目には層間距離はもとの（１/２）n-1となる。n＝７では、（１/２）6=1/64となる。
【０００７】
また、本発明においては、主流と支流を機械的加工手段（除去加工または成形加工）によって製作することから、深さ方向に変化をもたせた３次元流路構造を、簡単に短時間に作ることができる。また構造変化も簡単に変更でき、特許文献１に提示された半導体露光プロセスを応用した製造方法に比べ、製作コストを小さくできる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明においては、主流から分岐する別の支流流路によって、主流の流体要素の引き伸ばしと折りたたみが起こり、この操作を繰り返すことで、流体要素の層間距離を減少させ、短時間に拡散が促進される。その結果、マイクロミキサーの小型化を図ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明について実施例および比較例を用いて具体的に説明する。
混合操作の実施には、Y字ミキサーと呼ばれる混合流路を基準とし、Y字ミキサーの主流流路１から分流する形で支流流路３を主流流路の下部に形成した。ここでY字ミキサーとは、２種類の液体を２本の入り口から流入させ、１本に合流させて混合し、所定長さの混合部を経て、排出するものである。図１。
【００１０】
ミキサーの性能評価は、異なる色のついた２種類の液体（赤色と白色）を２本の入口にシリンジポンプで流入させ、混合部を通過中の色の入れ替わり（回転）を調べる方法（特許文献１）と、混合程度を画像数値データ（RGB数値）により定量化する方法で行った。画像数値データの定量化の方法は、混合部以前の色データを０，１の数値に規格化し、混合後の画像数値データの標準偏差を計算して行った。完全な分離であれば標準偏差ｓ＝0.5であり、完全混合の場合、標準偏差s=０である。なお色のついた溶液は、水溶性絵の具の赤と白を純水９ｃｃに１ｇ添加して作成した。溶液の動粘性係数νをオストワルド相対粘度計で測定したところ、白溶液は1.64 mm2／ｓであり、赤溶液では1.43 mm2／ｓであった（レイノルズ数計算には、平均1.50 mm２／ｓを動粘性係数として用いた）。
【００１１】
これらの溶液をマイクロシリンジポンプで使用し、流体流入路２の各々に流量１３mｍ３／ｍｉｎの流体を流入させ、主流流路１を流れる流体流量の合計が２６mm３／ｍｉｎになるようにした。この流量をマイクロミキサーの流路寸法から平均流速を計算すると、幅200μm深さ5０μｍでは、約４３ｍｍ／ｓであり、幅２００μm深さ１００μmの流路では流速２１．６mm/sである。また、この場合のレイノルズ数は、それぞれ３．９と３．２となる。ただし、チャネル代表寸法はそれぞれ１３３μm、80μmである。
【実施例１】
【００１２】
主流流路１から分流した支流流路３の混合効果（色混合の定量化と回転程度）を調べた。支流流路は主流の下部位置に切削加工により形成し、Y字ミキサーの合流点から２mmの位置から10mmの間に２０本（ピッチは0.5ｍｍ）支流流路を形成した。このミキサーに、流量２６mm３/min一定条件で前述した赤白の溶液を流した。また主流と支流、それぞれの流路深さの組合せ効果を調べた。表１は、主流流路の流路深さMｄと支流流路の流路深さSｄの組合せ実験を示す。
表１.主流流路の深さMdと支流流路の深さSdの組合せ実験表
【００１３】
図３は、主流流路深さと支流流路深さの組合せにおける混合程度を示す。図にみられるように、Md=５０μm、Sd=１００μｍの組合せが最も混合している。さらに、主流流路幅２００μｍ、支流流路幅１００μｍを考慮し、主流流路断面積Sｍ、支流流路断面積Sｓで評価すると、Sm/Ss≦１で混合が適当である。
【００１４】
（比較例１）
比較例１では、支流流路を設けないY字ミキサーである。流路幅２００μｍ、深さ５０μｍである。
【００１５】
（比較例２）
比較例２は、特許文献１（実施例１）のマイクロミキサーである。
【００１６】
（評価）
図４は、Md=５０μm Sd=１００μm の条件における、混合状況を示す。またY字ミキサーも同様に示す。上下の入れ替わり（０．５回転）に要する流路長さは、１．０ｍｍである。なお比較例１でのY字ミキサーでは、回転しない。
【００１７】
比較例２では、１４mmで２回転であること（特許文献１の実施例１）から、０．５回転に要する長さは、３．５mmと計算できる。これは、本発明の１．０ｍｍの３．５倍の長さを要することが分かる。
【００１８】
以上のことから、主流流路とは別に形成された支流流路が、マイクロ流体の混合に有効であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は、混合効率が大きいという基本性能に加え、構造が簡単で安価に製造が可能であるということから、医療診断用分析機器、医薬用製造装置、化学分析機器への広い応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のマイクロミキサー（Y字ミキサーに支流流路を付与したもの）の一例を示す概略平面図および支流流路の概略構造図である。
【図２】流動断面の変換の繰り返しによる混合メカニズムを示す図である。
【図３】実施例１における混合程度（標準偏差）を示す図である。
【図４】実施例１および比較例１（支流流路を設けないY字ミキサー）における流動状況を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１．主流流路
２．入口流路
３．支流流路
４．角取り部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体（数μｍ 〜数100μｍオーダーの流路寸法を流れる流体）の混合操作（マイクロミキシング）において、その混合操作部の構造およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、化学分析装置、生化学分析装置等の小型化を目的としたμＴＡＳ（μ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）が注目され、遺伝子分析チップ、化学合成チップ、生化学合成チップ、環境分析チップ等への応用が期待されている。これらの小型化が実現すると、従来の分析装置と比較して試料、試薬、廃液等の少量化、測定時間の短縮、システム全体の消費電力の低減、低コスト化、携帯性等の有益性が期待されることから、多種多様な研究が行われている。これらの分析システムの構成要素の一つに、微小領域で混合を行うためのマイクロミキサーがある。一方、マイクロ流路（マイクロチャネル）では、チャネルの寸法、流速が共に小さいことから、レイノルズ数が２００以下程度である事例が多い。レイノルズ数が小さい場合、マイクロチャネル内において乱流が起こりにくく、層流が支配的となる。したがって、流体の混合は、流体同士の接触界面による拡散混合が主となり、単に合流させるだけでは、効率的な混合ができない。
【０００３】
この混合を効率的に行うために、たとえば、特許文献１では、マイクロ流路の底面・側面に斜めの凹凸を配置した流路によって、また特許文献２では、流路内部に螺旋の突起（または凸凹状螺旋）をつけた流路によって、ともに流体の螺旋流れを生み出し混合効率を上げる方法が提案されている。また特許文献３では、主流とは別に製作された支流から流体を流入させカオス混合による混合効率の向上が述べられている。
【特許文献１】特開2005-199245
【特許文献２】特開2006-142210
【特許文献３】特許第3629575
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来提案されてきた文献１に示される断続的に形成された凹凸溝や、文献２に示される主流内部につけられた凹凸状の螺旋溝のみでは、螺旋流れが起こるが、混合効率が小さいという問題がある。また文献３の方法では、複数の支流流路と流体制御のためのポンプが必要になり、分析機器に求められる小型化・低コスト化とはならない問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、安価で混合効率が大きいマイクロミキサーおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明は、マイクロ流路の主流流路から分岐した別の連続的な支流流路を主流流路の下部に形成することで、主流と支流が流れ方向に大きく交互に流体移動を繰り返す手段を提案する。この手段によれば、流動方向の流動断面の引きのばしと折りたたみが繰り返し起こり、流体層間の距離が指数関数的に減少する。図２は層間距離の減少の様子を示したものである。すなわち、同図の１〜７の順番に断面の伸縮と回転重ね合わせの操作を繰り返す場合を考える。支流流路の効果はどの場合も同じであるので、１→２と同じ回転操作を繰り返すこととみなせる。ここで、１→２の操作は、１の着色領域を縦に伸ばし横に縮小し、２の着色領域に並行に移り、また１の白領域は、縦に伸びて横に縮小させた白領域を１８０°回転させて着色領域の右に合わせる操作である。以上のように、一回の操作で、層間距離は１/２となるので、n番目には層間距離はもとの（１/２）n-1となる。n＝７では、（１/２）6=1/64となる。
【０００７】
また、本発明においては、主流と支流を機械的加工手段（除去加工または成形加工）によって製作することから、深さ方向に変化をもたせた３次元流路構造を、簡単に短時間に作ることができる。また構造変化も簡単に変更でき、特許文献１に提示された半導体露光プロセスを応用した製造方法に比べ、製作コストを小さくできる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明においては、主流から分岐する別の支流流路によって、主流の流体要素の引き伸ばしと折りたたみが起こり、この操作を繰り返すことで、流体要素の層間距離を減少させ、短時間に拡散が促進される。その結果、マイクロミキサーの小型化を図ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明について実施例および比較例を用いて具体的に説明する。
混合操作の実施には、Y字ミキサーと呼ばれる混合流路を基準とし、Y字ミキサーの主流流路１から分流する形で支流流路３を主流流路の下部に形成した。ここでY字ミキサーとは、２種類の液体を２本の入り口から流入させ、１本に合流させて混合し、所定長さの混合部を経て、排出するものである。図１。
【００１０】
ミキサーの性能評価は、異なる色のついた２種類の液体（赤色と白色）を２本の入口にシリンジポンプで流入させ、混合部を通過中の色の入れ替わり（回転）を調べる方法（特許文献１）と、混合程度を画像数値データ（RGB数値）により定量化する方法で行った。画像数値データの定量化の方法は、混合部以前の色データを０，１の数値に規格化し、混合後の画像数値データの標準偏差を計算して行った。完全な分離であれば標準偏差ｓ＝0.5であり、完全混合の場合、標準偏差s=０である。なお色のついた溶液は、水溶性絵の具の赤と白を純水９ｃｃに１ｇ添加して作成した。溶液の動粘性係数νをオストワルド相対粘度計で測定したところ、白溶液は1.64 mm2／ｓであり、赤溶液では1.43 mm2／ｓであった（レイノルズ数計算には、平均1.50 mm２／ｓを動粘性係数として用いた）。
【００１１】
これらの溶液をマイクロシリンジポンプで使用し、流体流入路２の各々に流量１３mｍ３／ｍｉｎの流体を流入させ、主流流路１を流れる流体流量の合計が２６mm３／ｍｉｎになるようにした。この流量をマイクロミキサーの流路寸法から平均流速を計算すると、幅200μm深さ5０μｍでは、約４３ｍｍ／ｓであり、幅２００μm深さ１００μmの流路では流速２１．６mm/sである。また、この場合のレイノルズ数は、それぞれ３．９と３．２となる。ただし、チャネル代表寸法はそれぞれ１３３μm、80μmである。
【実施例１】
【００１２】
主流流路１から分流した支流流路３の混合効果（色混合の定量化と回転程度）を調べた。支流流路は主流の下部位置に切削加工により形成し、Y字ミキサーの合流点から２mmの位置から10mmの間に２０本（ピッチは0.5ｍｍ）支流流路を形成した。このミキサーに、流量２６mm３/min一定条件で前述した赤白の溶液を流した。また主流と支流、それぞれの流路深さの組合せ効果を調べた。表１は、主流流路の流路深さMｄと支流流路の流路深さSｄの組合せ実験を示す。
表１.主流流路の深さMdと支流流路の深さSdの組合せ実験表
【００１３】
図３は、主流流路深さと支流流路深さの組合せにおける混合程度を示す。図にみられるように、Md=５０μm、Sd=１００μｍの組合せが最も混合している。さらに、主流流路幅２００μｍ、支流流路幅１００μｍを考慮し、主流流路断面積Sｍ、支流流路断面積Sｓで評価すると、Sm/Ss≦１で混合が適当である。
【００１４】
（比較例１）
比較例１では、支流流路を設けないY字ミキサーである。流路幅２００μｍ、深さ５０μｍである。
【００１５】
（比較例２）
比較例２は、特許文献１（実施例１）のマイクロミキサーである。
【００１６】
（評価）
図４は、Md=５０μm Sd=１００μm の条件における、混合状況を示す。またY字ミキサーも同様に示す。上下の入れ替わり（０．５回転）に要する流路長さは、１．０ｍｍである。なお比較例１でのY字ミキサーでは、回転しない。
【００１７】
比較例２では、１４mmで２回転であること（特許文献１の実施例１）から、０．５回転に要する長さは、３．５mmと計算できる。これは、本発明の１．０ｍｍの３．５倍の長さを要することが分かる。
【００１８】
以上のことから、主流流路とは別に形成された支流流路が、マイクロ流体の混合に有効であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は、混合効率が大きいという基本性能に加え、構造が簡単で安価に製造が可能であるということから、医療診断用分析機器、医薬用製造装置、化学分析機器への広い応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のマイクロミキサー（Y字ミキサーに支流流路を付与したもの）の一例を示す概略平面図および支流流路の概略構造図である。
【図２】流動断面の変換の繰り返しによる混合メカニズムを示す図である。
【図３】実施例１における混合程度（標準偏差）を示す図である。
【図４】実施例１および比較例１（支流流路を設けないY字ミキサー）における流動状況を示す図である。
【符号の説明】
【００２１】
１．主流流路
２．入口流路
３．支流流路
４．角取り部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平板上に製作した複数の流路を合流させ混合させる凹状流路において、合流後の流路（主流流路 1）の左右一方の側を主流流路の底部よりさらに深く掘りこみ、下流にむけて、主流流路の左右別の側まで斜めに掘り込む流路（支流流路 ２）を形成したことを特徴とするマイクロミキサー。
【請求項２】
前記平板上に形成された流路断面について、主流流路断面積Sｍ、支流流路断面積Sｓとするとき、Sｍ/Sｓ≦１であることを特徴とするマイクロミキサー。
【請求項３】
前記主流流路から支流流路への分岐領域および支流流路から主流への合流領域にそれぞれ流動抵抗をより小さくするための角取り領域を設けたことを特徴とするマイクロミキサー。
【請求項４】
これら主流流路、支流流路、分岐領域と合流領域の角取り部を、機械的除去加工（切削加工、研作加工）あるいは工具・型プレスによる成形加工あるいは金型射出成形あるいは、これら加工の組合せによって製作することを特徴とするマイクロミキサーの製造方法。
【請求項１】
平板上に製作した複数の流路を合流させ混合させる凹状流路において、合流後の流路（主流流路 1）の左右一方の側を主流流路の底部よりさらに深く掘りこみ、下流にむけて、主流流路の左右別の側まで斜めに掘り込む流路（支流流路 ２）を形成したことを特徴とするマイクロミキサー。
【請求項２】
前記平板上に形成された流路断面について、主流流路断面積Sｍ、支流流路断面積Sｓとするとき、Sｍ/Sｓ≦１であることを特徴とするマイクロミキサー。
【請求項３】
前記主流流路から支流流路への分岐領域および支流流路から主流への合流領域にそれぞれ流動抵抗をより小さくするための角取り領域を設けたことを特徴とするマイクロミキサー。
【請求項４】
これら主流流路、支流流路、分岐領域と合流領域の角取り部を、機械的除去加工（切削加工、研作加工）あるいは工具・型プレスによる成形加工あるいは金型射出成形あるいは、これら加工の組合せによって製作することを特徴とするマイクロミキサーの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００８−２１２８８２（Ｐ２００８−２１２８８２Ａ）
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５６４７５（Ｐ２００７−５６４７５）
【出願日】平成１９年３月７日（２００７．３．７）
【出願人】（０００２３６９２０）富山県 (197)
【出願人】（０００１０３２０８）コーセル株式会社 (80)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月７日（２００７．３．７）
【出願人】（０００２３６９２０）富山県 (197)
【出願人】（０００１０３２０８）コーセル株式会社 (80)
【Ｆターム（参考）】
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