マイクロリアクタ内の気液二相流動の制御に関する研究

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マイクロリアクタにおいて、気体と液体を混在させることは、その応用範囲を広げるために欠かせないものである。しかし表面張力や壁面の濡れの影響が大きくなるなどの問題からあまり進んでいない。チップ上に形成された流路に微細な気泡を生成する手法が必要となるが、こうした研究はこれまでなかった。そこで、マイクロ流路中にマイクロピペットを直接挿入し、微細な気泡を多数作成する混合器の開発と、それにより作製された気泡の挙動について実験を行った。混合器は、フォトレジストに流路のマスクパターンを転写して作製された型に、シリコンゴムの一種である液体状のPDMSを流し込み・硬化させることにより作られた。PDMSを流し込む前にあらかじめマイクロピペットが入る空間を作製し、PDMSを硬化させた後にマイクロピペット(先端の内径0.5ミクロン)を挿入し、エポキシなどでシール・固定をする。流路幅200ミクロン×130ミクロンである。このようにして作製した混合器に流量コントローラで窒素ガスを、シリンジポンプでエタノールを流した。今回は液体流量を0.3ccmに固定し、気体流量を0.025から1sccmの間で変化させ、流れの状態を高速度ビデオで撮影した。実験の結果として、気体流量が低い場合はかなり下流まで球状の気泡を形成しており、また気泡の間隔は不均一となることが分かった。一方、気体流量を大きくすると、気泡発生直後は変化が見られないが、気泡同士の合体・流路に沿っての圧力低下による気泡の成長などにより、下流に流れるに従い、気泡の大きさが大きくなり、流路径よりも大きくなるスラグとなることが分かった。また、発生直後の気泡直径を画像から測定した結果を調べると、強い流量による依存性はないが、低い気体流量で約60ミクロンの直径の気泡が得られることが分かった。