偏向した湿潤面を備えた流体取扱装置
異方性の湿潤面を備えた流体取扱装置であり、基板を含み、基板の上には非常に多くの非対称で実質的には均一形状の凹凸が備わっている。各凹凸には、基板に対して第１の凹凸立ち上がり角度と第２の凹凸立ち上がり角度とがある。凹凸群は、第１の凹凸立ち上がり角度と第２の凹凸立ち上がり角度との非対称により引き起こされる１より大きい又は１未満の所望の維持力比（ｆ１／ｆ２）を呈する構造を持ち、次の公式に従う。
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０）
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に流体取扱装置に関し、より具体的には流体取扱装置の濡れ面に関する。（関連出願）
本出願は、２００５年９月１６日提出の、米国特許出願第１１／２２９，４７８号、米国特許出願第１１／２２８，８６６号、米国特許出願第１１／２２９，０８０号の利益を主張し、上記の出願全てがこれによって完全に参照により本願に組み込まれる。ただし、上記の各特許出願を仮出願に変更する申請書が提出されているが、この変更は、上記の出願に対する優先権の主張には影響がないよう意図されている。
【背景技術】
【０００２】
多くの工業プロセスには、液体と固体表面との相互作用が伴う。多くの場合、特定の結果を達成するよう、相互作用の仕方、特に表面の濡れの程度を制御する又はこれに影響を与えることが望まれる。例えば、表面の濡れをより激しくすべく洗浄プロセスで用いる液体に界面活性剤を添加することがある。逆に、表面の濡れを減らして衣類製品の乾燥を早める為に、衣類に液体をはじくコーティング剤を添加することもある。
【０００３】
表面の濡れに影響を及ぼす原理及び特性を分析し理解する努力が数十年間に亘りなされてきた。液体による濡れに耐性を示す表面である液体「忌避性（ｐｈｏｂｉｃ）」の表面には特に関心が高まっている。このような表面は疎水性を指すことがあり、液体は具体的には水であり、一般に水や他のあらゆる液体に対し相対的に疎液性である。水又は他の液体の小滴が、表面に対して非常に高い静止接触角（約１２０度より大きい）を呈示する程に表面が濡れに抵抗する場合に、表面が呈示している液体の飛沫を保持する傾向が著しく低いと、又は、完全に液体に沈んでいる際に表面に液体‐気体‐固体の界面があると、この表面を一般に超疎水性又は超疎液性の表面と呼ぶことがある。この応用に関しては、超疎水性の表面と超疎液性の表面の両方を一般に指す為に、超忌避性という用語を用いる。
【０００４】
排水性を有する表面は、商業的応用及び工業的応用においてさまざまな理由で特に興味深い。液体を表面で乾燥させる必要のあるプロセスのほとんど全てで、加熱も長い乾燥時間も要することなく表面が液体をはじけば、効率が非常に高くなる。多くの場合、応用には、流体が重力の影響の為にキャビティや低い場所などに保持されないように、乾燥に望ましい向きがある。
【０００５】
なおまた、従来の表面とは対照的に超忌避性の表面では液体と表面との摩擦は劇的に小さくなる。この結果、無数の巨視的な水力学的応用及び流体力学的応用で、特にマイクロ流体の応用で、特定の方向の表面の摩擦を小さくし流れを増大させるには、偏向している湿潤面が極めて望ましい。特定のマイクロ流体の応用では、流体が一方向に反対方向より容易に導管を流れることが望ましい場合がある。他の状況では、流体が装置の特定の部分に保持される又は流体の流量を減らすことが望ましい場合がある。
【０００６】
現在、表面粗さが表面の濡れの程度に重大な影響を及ぼすことは周知である。ある状況下では、粗さによる液体の表面への付着が、それに対応する平滑面に対する付着よりも強力になる可能性があることが一般に観察されてきた。しかし、別の状況では、粗さによる液体の粗い面への付着が平滑面への付着よりも弱いことがある。状況次第で、表面粗さによって、表面は偏向している濡れを実際に示す。
【０００７】
これまでに、表面に意図的な粗さを採り入れて超忌避性の表面を生成することに努力がなされてきた。粗面は一般に、非常に多くのマイクロスケールからナノスケールの突出部
又はキャビティ、本明細書では「凹凸」と呼ぶものを備えた基板部材の形をとる。
【０００８】
表面の濡れ特性が、特定の流体取扱製品と比べて重大な影響を持つことがある。例えば、燃料電池の流体管理及び湿潤作用が最近の研究のほとんどの主題であった。燃料電池の設計の懸案は、電池の中の水を管理することである。燃料電池は反応生成物として水を生成する。ある条件下で、水は電池内で非常に速く放出される。この水は、一般に電池の陰極側で生成され、溜まってしまうと、電池への燃料の流れを制限するか阻止する。このような条件は、当該分野では「カソードフラッディング」として既知である。加えて、電池と周囲環境との温度差が大きい場合があり、その結果、動作中に空気が電池に入ったり出たりする時に水蒸気の凝結が引き起こされかねない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般的に、バイポーラプレートの表面には排出チャネル群が設けられ、水を、チャネル群を通らせ収集区域へと方向づけて電池から排出するようになっている。加えて、バイポーラプレートは、多くの場合、相対的に表面エネルギーの低い材料から作られているので、水はバイポーラプレートから更に簡単にはける。しかし、どの対策も、燃料電池におけるカソードフラッディングの問題及び水の管理の問題の解消に全く成果をあげていない。中でも特に、燃料電池にＰＴＦＥなどの表面エネルギーの低い材料を用いている場合でも、水滴が、望んだようにはけず、電池の中のバイポーラのプレートや他の表面にくっつく恐れがある。当該産業で求められているものは、電池内の排水の改善を容易にする構成要素を備えた燃料電池である。
【００１０】
もう１つの例については、マイクロ流体デバイスの設計における重要な要素は、デバイスの顕微鏡的なチャネルでの流体と表面との接触により課された流体運動に対する抵抗である。流体がある方向にもう一つの方向よりも容易に流れることができるよう、マイクロフイディックデバイス内の流体の流れを制御することが望ましいと思われる。概して、反応物質が１つ以上の流入口でミルコ流体デバイスに流れ込み、生成物が１つ以上の流出口から流れ出す。逆方向への流れによって、反応物質が汚染されたり他の問題が起きたりすることがある。当該産業で求められているものは、流体の流れに対し予測可能なレベルの異方性の抵抗又は偏向している抵抗を持つ流体フローチャネルを備えたマイクロ流体デバイスである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ある実施形態では、本発明が含む流体取扱装置は、耐久性のある一般に疎液性又は超忌避性の表面を有しており、この表面は異方性の湿潤性を備えている。即ち、流体は、流体が流れる方向に依存して表面上の流れに対し変化する抵抗を実際に示す。異方性の湿潤面には一般に、非常に多くの突出した非対称の規則的な形状のマイクロスケール又はナノスケールの凹凸を備えた基板部がある。この応用に関しては、流体取扱装置には、パイプ、管類、継手、弁、流量計、タンク、ポンプ、燃料電池の濡れる構成要素、マイクロ流体デバイス及び構成要素に加え、流体を取り扱ったり、移送したり、収容したり、運搬したりする為に用いる他の装置又は構成要素を含む。流体取扱装置には、ピペット、ビュレット、フラスコ、ビーカー、管類、ノズル、継手に加え、研究所又は製造処理環境で流体を測定及び転送するのに用いられる他の装置が含まれる。
【００１２】
凹凸を、基板材料そのものの中又は上に形成してもよいし、基板の表面に配置された材料の１層以上の層に形成してもよい。凹凸は、規則的な形状又は不規則形状の３次元固体又は３次元キャビティのどれでもよいし、凹凸を規則的な幾何学的パターンのどれに配置してもよいし、無作為に配置してもよい。
【００１３】
本発明に係るマイクロスケールの凹凸を、既知の成形法及びスタンピング法を用い、プロセスで用いる型やスタンプの工具などをテクスチャ加工することにより形成してよい。プロセスには、射出成形、テクスチャ加工済みのカレンダーロールによる押し出し、圧縮成形工具、マイクロスケールの凹凸の形成に適している他の既知の工具又は方法などがある。
【００１４】
スケールの小さい凹凸を、フォトリソグラフィを用いて形成してもよいし、ナノマシニング、マイクロスタンピング、マイクロコンタクトプリンティング、自己集合性金属コロイド単分子膜、原子間力顕微鏡ナノマシニング、ゾル‐ゲル成形、自己組織化単分子膜向けのパターニング、化学エッチング、ゾル‐ゲルスタンピング、コロイド状のインクによるプリンティングを用いて形成してもよいし、平行なカーボンナノチューブの層の基板への配置によって形成してもよい。
【００１５】
非対称の凹凸を生成することによって、表面に対する流体の保持性を偏向させることができる。このアプローチを、平面のみならず、管や谷などの曲面にも適用できる。偏向している流体の保持を従来の湿潤面並びに超忌避性の表面に組み込むことができる。非対称のフィーチャはランダムに設計してもよいし周期的に設計してもよい。周期的な凹凸は２次元で変動することがあり、例えば、縞、畝、谷、溝などの構造を持つ。周期的な凹凸は３次元で変動することがあり、例えば、柱、角錐、円錐、穴などである。凹凸のサイズ、形状、間隔、角度を、所望の異方性の湿潤作用を達成するように作ることができる。
【００１６】
一般に、異方性の湿潤性は、表面の飛沫や、管、谷、チャネル内のスラグで効果的である。異方性の湿潤性を有する表面を用いて、確実に小滴又は液体のスラグを表面から完全に排出させたり、交互に、注入又は排出のプロセスの終わりに滴る危険が小さくなるよう飛沫又はスラグを保持するのを確実に助けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本出願の目的の為、流体取扱装置には、パイプ、管類、継手、弁、流量計、タンク、ポンプ、燃料電池の濡れる構成要素、マイクロ流体デバイス及び構成要素に加え、流体を取り扱ったり、移送したり、収容したり、運搬したりする為に用いる他の装置又は構成要素が含まれる。流体取扱装置には、ピペット、ビュレット、フラスコ、ビーカー、管類、ノズル、継手に加え、研究所又は製造処理環境で流体を測定する又は転送するのに用いられる熱又は質量の交換器などの他の装置が含まれ、熱又は質量の交換器には、フィルタ、熱交換器、それらの構成要素などがあるが制限はない。用語「流体接触面（ｆｌｕｉｄ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｕｒｆａｃｅ）」は、流体と接触しうる流体取扱部品のあらゆる表面やその一部を広く指す。用語「流体取扱システム」は、流体に関し相互に接続された配列の流体取扱部品の全てを指す。
【００１８】
本発明に係る流体取扱部品の種々の実施形態を図１〜図１２に示す。図１及び図２では、１本の管２０には、一般に本体２２が含まれ、本体２２は流体の移送の為のボア２４を画成する。ボア２４が一列に並ぶよう基板層２６が配置されている。基板層２６に異方性の湿潤流体接触面２８が形成されており、ボア２４を流れる流体に接触するように内側を向いている。基板層２６を、本体２２に、同時係属中の米国特許出願第１０／３０４，４５９号に開示されているようなフィルムインサート成形により張りつけてもよい。この出願は、一般に本発明の所有者により所有されており、これによって本明細書に参照により完全に組み込まれる。図１及び図２の実施形態では基板層２６は独立したものとして描写されているが、しごく当然のことながら、他の実施形態では、本体２２は、本体２２の内側向きの面に異方性の湿潤流体接触面２８を直接形成した基板となる場合がある。更に、異方性の湿潤流体接触面が管２０の全長に亘っていたり、流れの条件が臨界的な位置なら所望のどの位置にも選択的に位置付けられたりすることも分かるであろう。
【００１９】
図３に、流体取扱部品の別の実施形態である、９０度に湾曲した継手３０の形の流体取扱部品を示し、継手３０は２本のパイプ３２を接続している。湾曲した継手３０には一般に本体部３４があり、本体部３４は内表面３６のすぐ上に異方性の湿潤流体接触面２８を備えている。各パイプ３２の内表面３８も異方性の湿潤接触面２８である場合がある。もちろん、しごく当然のことながら、異方性の湿潤流体接触面２８を、あらゆる形状又はあらゆるサイズの、パイプ、管類、継手、チャネルに設けてよい。例えば、本明細書では図３に９０度に湾曲した継手を示したが、他の継手、例えば、スイープエルボ、Ｔ字管、Ｙ字管、更にはサニタリー継手、マニホールドなどにも、本発明に係る異方性の湿潤流体接触面を設けてよい。
【００２０】
加えて、異方性の湿潤流体接触面２８を、更に複雑な他の流体取扱部品、例えば図５に示した２位置弁４０などにも設けてよい。２位置弁４０には一般に弁本体４２と弁棒４４とがある。弁本体４２には一般に、連続しているフローチャネル５０に接続された入口４６及び出口４８がある。弁棒４４には、ハンドル５２と、ロッド５４と、シール面５６とがある。異方性の湿潤流体接触面２８を、入口４６や、出口４８や、フローチャネル５０や、これらのあらゆる所望の部分を含む２位置弁４０の濡れ面全体に、排出を促進する向きで形成してよい。異方性の湿潤流体接触面２８を弁棒４４の濡れる部分に形成してもよい。
【００２１】
図４に流体取扱部品の別の代替の実施形態を示す。図４では、３位置弁６０には弁本体６２があり、弁本体６２には、入口６４と、第１の出口６６と、第２の出口６８とがある。３位置弁６０には更に、中心ボア７２の中に弁棒７０がある。第１の出口６６及び第２の出口６８は、かかりのついた端部７３を有した構成になっており、この端部７３は流体回路の残りの部分との相互接続を容易にする。ここでも、異方性の湿潤流体接触面２８を、弁本体６２及び弁棒７０の濡れ面全体に亘って形成してもよいし、選択的にこれらの任意の部分に形成してもよい。
【００２２】
異方性の湿潤流体接触面２８をどんな構成の弁にも張りつけられることが明らかである。この構成には、入口及び出口と、オスコネクタやメスコネクタやねじ切り型のコネクタやサニタリー用コネクタなどのさまざまな弁の接続とが、幾つあってもよい。加えて、本発明に係る異方性の湿潤流体接触面を、ボール弁やゲート弁やダイアフラム弁などで用いる多種多様な弁棒に選択的に張りつけて、排出を容易にする、そうでない場合には流体運動を偏らせたり方向づけたりしてよい。
【００２３】
図６及び図７に示すとおり、流体取扱部品は流量計アセンブリ７４の形の場合がある。流量計アセンブリ７４には一般に、入口７６と、出口７８と、サイトチューブ８０と、浮き８２とがある。図示の実施形態では、異方性の湿潤流体接触面２８が流量計アセンブリ７４の全ての濡れ面に形成されている。図７に示した代替の実施形態では、サイトチューブ８０には内側基板層８４があり、基板層８４の内側表面８６には異方性の湿潤流体接触面２８が備わっている。当然のことながら、異方性の湿潤流体接触面２８を、流量データを送信するセンサ群を持つ流量計などを含むどんなタイプの流体モニタリング装置に張りつけてもよい。このような実施形態では、異方性の湿潤流体接触面２８を、パドルホイールや、タービンや、磁石や、産業界において通常用いられる他の流体検知装置などを利用して、センサ上に形成してよい。
【００２４】
要するに、当然のことながら、異方性の湿潤流体接触面２８を、このような特性が望まれる流体取扱部品のどれにでも張りつけられる。流体取扱部品の他の例には、ポンプやノズルや堰などの流体移動装置と、シリンダなどの水力学的な要素とがある。これもしごく当然のことながら、本発明の異方性の湿潤流体接触面２８は、マイクロ流体取扱部品に張
りつけられるので、有利である。
【００２５】
この応用に関しては、用語「マイクロ流体取扱部品」は、流体との接触、流体の取り扱い、移送、収容、処理、運搬等を行う為に用いられる他の装置又は構成要素を広く指し、ここで、流体は顕微鏡的次元の１つ以上の流体フローチャネルを流れる。この応用に関しては、「顕微鏡的」は、５００μｍ以下の次元を意味する。
【００２６】
図８には、本発明に係るマイクロ流体デバイス８８を大幅に拡大した分解組立図が描写されている。デバイス８８には一般に本体９０があり、本体９０の中に長方形のフローチャネル９２が画成されている。本体９０には一般に主要部９４とカバー部９６とがある。フローチャネル９２は、主要部９４の内側向きの各面９８による３面とカバー部９６の内側向きの面１００による第４の面とで画成されている。各面９８と面１００とが一緒になって、図８及び図９に示すとおり、チャネル壁１０２を画成する。
【００２７】
本発明に係る、チャネル壁１０２の全て又は任意の所望の部分に、異方性の湿潤流体接触面２８を設けてよい。長方形のフローチャネルを備えた２つの部分から成る構成を図８に示したが、もちろんしごく当然のことながら、マイクロ流体デバイス８８を、事実上フローチャネルの他の形状又は構成を備えた他の構成で形成してよく、例えば、円筒形や多角形や不規則形状などの形状のフローチャネルを内部に形成した一体化された本体などでよい。
【００２８】
図１０にマイクロ流体デバイス８８の代替の実施形態の断面を描写する。この実施形態では、本体１０４が一体化されて形成されている。本体１０４内部に円筒形のフローチャネル１０６が画成され、円筒形のフローチャネル１０６には、フローチャネル１０６の内側を向いている異方性の湿潤流体接触面２８を呈するチャネル壁１０８がある。
【００２９】
やはり当然のことながら、本発明には燃料電池内の流体管理における特定の応用がある。この応用に関しては、用語「燃料電池」は、あらゆるタイプのあらゆる電気化学燃料電池デバイス又は装置を意味し、これには、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などが含まれるがこれに限定されるものではない。用語「燃料電池スタック装置」は、燃料電池の機能に関するあらゆる独立した構成要素に加え、少なくとも１つの燃料電池及びそのあらゆる構成要素を含む装置を指す。独立した構成要素には、エンクロージャ、絶縁体、マニホールド、配管、電気部品などが含まれるがこれに限定されるものではない。
【００３０】
図１１の略断面図に本発明に係る燃料電池スタック装置１１０の実施形態の一部を描写する。燃料電池スタック装置１１０には一般に複数の膜電極接合体１１２があり、膜電極接合体１１２は各バイポーラプレート１１４により分離されている。装置１１０を各エンドプレート１１６がそれぞれの端部で収容している。各膜電極接合体１１２には一般に、陽極の膜構造１１８と、陰極の膜構造１２０と、電解質１２２とがある。
【００３１】
バイポーラプレート群１１４及びエンドプレート群１１６は一般的に、電気的に導電性の、金属又は炭素充填ポリマーなどの耐食性かつ耐熱性の材料から作られている。バイポーラプレート群１１４の各表面１２４とエンドプレート群１１６の内側向きの各面１２６とが、一般的に、燃料及び酸化剤を膜電極接合体１１２に運搬するチャネル群１２８を画成し、反応の生成物である水を排出させる。電池から熱を取り除く為に、バイポーラプレート群１１４及びエンドプレート群１１６の各熱伝達部１３０が表面積を付加する場合がある。
【００３２】
本発明に従い、バイポーラプレート群１１４又はエンドプレート群１１６の外面の全て又は任意の所望の部分が異方性の湿潤面２８である場合がある。図１２に示すとおり、例えば、チャネル群１２８の排水を改善する為に、異方性の湿潤面２８をチャネル群１２８の内側向きの面１３２に設けてよい。異方性の湿潤面２８上では反応過程中に放出された水滴が所望の方向により流れやすくなるので、水は重力によってチャネル群１２８から排出される。
【００３３】
図１１に示すとおり、熱伝達部１３０や外面１３４などのバイポーラプレート群１１４又はエンドプレート群１１６の他の部分にも、これらの面に集まる又は凝結する水の排出を改善する為に異方性の湿潤面２８を設けてよい。燃料電池スタックアセンブリの他の構成要素、例えば、燃料及び酸化剤のマニホールド及び配管（図示せず）、ベント（図示せず）、エンクロージャの表面（図示せず）などには、これらの構成要素上に、周囲環境と電池内の高温との間での湿ったガスの運動によって凝結する恐れのある水を排出する為に、異方性の湿潤面２８を設けてよい。しごく当然のことながら、本発明に係る異方性の湿潤面２８を、燃料電池スタック装置の排水特性を改善する為、燃料電池スタック装置のどの部品の所望の部分のどこにでも設けてよい。
【００３４】
次に、異方性の湿潤流体接触面の構造の理解について考えると、例示を目的とした図１３Ａ〜図１３Ｃの縦方向の断面図に円筒形の毛細管群１３６が描写されており、それぞれ、液体スラグ１４０を収容するフローチャネル１３８を画成している。図１３Ａは、相対的に滑らかな壁面１４２を持つ細管１３６のフローチャネル１３８を描写している。図１３Ｂは、一般に対称ののこぎりの歯のフィーチャ１４４群を壁１４５に備えたフローチャネル１３８を描写しており、のこぎりの歯のフィーチャ１４４のサイズははっきりさせるべく大幅に誇張されている。図１３Ｃは、非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群１４６を壁１４７に備えたフローチャネル１３８を描写しており、本発明の実施形態に係る異方性の湿潤面２８が形成されており、非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群１４６のサイズもやはり、はっきりさせるべく大幅に誇張されている。
【００３５】
図１３Ａの滑らかな管１３６では、スラグ１４０の運動に抵抗する左への保持力−ｆ０と、運動に抵抗する右への保持力ｆ０とが等しい。同様に、図１３Ｂの対称のフィーチャ群１４４を備えた管でも、スラグ１４０の運動に抵抗する左への保持力−ｆ１と、運動に抵抗する右への保持力ｆ１とが等しい。しかし、図１３Ｃに示した非対称のフィーチャ群１４６を備えた管については、流体の流れは一般に、フィーチャ群１４６により形成されたピークや谷を横切っており、スラグ１４０の運動に抵抗する左への保持力ｆ３が、運動に抵抗する右への保持力ｆ２よりかなり少ない。以下で更に詳しく論じるとおり、保持力のこの差異は、表面フィーチャのジオメトリにより決定される。本明細書に記載した所定の関係に従って非対称の表面フィーチャを配置することにより、保持力の差異によって異方性の湿潤流体接触面が生ずる。
【００３６】
当然のことながら、図１３Ａ〜図１３Ｃの各液体スラグ１４０は、外力の影響がない場合、慣性及び摩擦を克服する為に印加されるエネルギーがないので、各管１３６内で静止した状態を保つ傾向がある。図１４の半径Ｒの毛細管１３６内に流体‐液体の界面である１４８及び１５０を示すが、外力Ｆがスラグ１４０に印加されたら、スラグ１４０は１４８及び１５０の両界面と共に歪み、印加された力の方向にそれる。この外力Ｆは、例えば、管の勾配や管の端部１５２に印加された流体圧力などから生じる場合がある。前縁接触線１５４及び後縁接触線１５６にある毛細管力が、スラグ１４０を留めておく傾向があり、印加された外力Ｆが臨界値即ちＦｉを超えるまで、運動を抑制する。このしきい値に達してＦｉが保持力ｆｉに等しくなったら、スラグ１４０の歪んだ界面である１４８及び１５０が、前縁接触線１５４で、前進接触角即ちθａを呈示し、後縁接触線１５６で後退値即ちθｒを呈示する。外力Ｆが更に増大してＦｉ＞ｆｉとなったら、スラグ１４０は外力
Ｆに促される方向に動き始める。
【００３７】
保持力の大きさ即ちｆｉは、半径Ｒの円筒形の毛細管内の初期移動に抵抗するものであり、流体‐液体間の界面張力即ちγと、前進接触角と、後退接触角とにより決定され、以下のとおりである。
【００３８】
ｆｉ＝ｋγＲ（cos θｒ−cos θａ） （１）
ここで、ｋ＝２p …（２） である。
表面が清潔で滑らかであり欠陥がない場合、保持力を、固有の接触角、即ちθａ，０及びθｒ，０に関して以下のように表すことができる。
【００３９】
ｆ０＝ｋγＲ（cos θｒ，０−cos θａ，０） （３）
表面粗さによって一般に保持力が平滑面の保持力よりも増大する。この増大は、接触角と表面の凹凸やフィーチャとの幾何学的な相互作用による接触角の変化から生じる。図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、スラグ１４０の接触線と基板表面１５８上の表面の凹凸又は表面のフィーチャ１４６とが相互に作用しているものと考える。基板表面１５８からのフィーチャ１４６の立ち上がり角度をωｉと示す。図１５（Ａ）は、フィーチャ１４６の上を前進している接触線１６２を描写しており、見掛けの前進接触角はθａである。液体がフィーチャ１４６の面１６４に呈示するのが、その真の前進接触角値、即ちθａ，０である。基板表面１５８に対する見掛けの前進接触角θａと真の前進角θａ，０との差異は、フィーチャからの立ち上がり角度ωｉに依存する。フィーチャ１４６との相互作用によって、θａは以下のように増大する。
【００４０】
θａ＝θa, 0＋ωｉ （４）
図１５（Ｂ）は、同一のフィーチャ１４６から退却する接触線１６６を描写しており、見掛けの後退接触角はθｒである。液体がフィーチャ１４６の面１６４に呈示するのが、その真の後退値、即ちθｒ，０である。前進の場合と対照的に、フィーチャとの相互作用によって、θｒは以下のように減少する。
【００４１】
θｒ＝θr, 0−ωｉ （５）
例示の為に、毛細管１３６の内表面のフィーチャ群１４４、１４６が、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すのこぎり歯又は爪車のパターンの形をとり、これらの管の粗さが放射状に対称である（フィーチャ群が、断面形状のばらつきなく周囲全体に広がっている）、と仮定する。図１６（Ａ）に描かれているように立ち上がり角度ω１の対称なフィーチャ群１４４については、保持力である−ｆ１とｆ１とが等しく、濡れは等方性である。ｆ１を推定する数式は、式（１）と式（４）と式（５）との組み合わせから得られる。
【００４２】
ｆｉ＝ｋγＲ［cos （θr, 0−ωｉ）−cos （θa, 0＋ωｉ）］ （６）
毛細管１３６の内表面に図１６（Ｂ）に示した非対称のフィーチャ群１４６がある場合、保持力の差の大きさΔｆ、即ちｆ３とｆ２との差異は、ω２及びω３に関して以下のように表される。
【００４３】
Δｆ＝ｆ３−ｆ２＝ｋγＲ［cos （θr, 0−ω３）−cos （θa, 0＋ω３）−cos （θr, 0−ω２）＋cos （θa, 0＋ω２）］ （７）
幾何学上の制限の為、θｒ，０−ωｉ≧０°かつθａ，０＋ωｉ≦１８０°でなくてはならない。多くの三角関数を適用して項を分離しこれらの数式を単純にできる。保持力ｆｉの一般の形態は以下のようになる。
【００４４】
ｆｉ／ｋγＲ＝２sin ［1/2 （θr, 0＋θa, 0）］sin （ωｉ＋1/2 Δθ0 ） （８）
この式を、固有ヒステリシスΔθ０に関して以下のように組み立てることができる。
Δθ０＝θa, 0−θr, 0 （９）
更に、立ち上がり角度ωｉは、清潔な平滑面でｉ＝０の場合、ω０＝０であり、対称なのこぎりの歯のフィーチャ群を備えた表面でｉ＝１の場合、ω１＞０であり、非対称のフィーチャ群を備えた表面でｉ＝２又は３の場合、ω２≠ω３である。保持力の差Δｆを、粗さが非対称である管を記述する式（７）から、以下のように書き換えることができる。
【００４５】
Δｆ＝ｆ３−ｆ２＝２ｋγＲsin ［1/2 （θr, 0＋θa, 0）］sin ［（ω３＋1/2 Δθ0 ）−（ω２＋1/2 Δθ0 ）］ （１０）
式（８）を用いて保持力を比として表すことができる。例えば、対称なのこぎりの歯のフィーチャ群を備えた毛細管の保持力の、これに対応する対照的に平滑面を備えた管の保持力に対する比は、以下のようになる。
【００４６】
ｆ１／ｆ０＝sin （ω１＋1/2 Δθ0 ）／sin （1/2 Δθ0 ） （１１）
別の例では、非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群を備えた管の中の保持力の比を、以下のように表すことができ、このとき保持力は互いに正反対を向いている。
【００４７】
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０） （１２）
当然のことながら、維持力比としても知られている、このｆ３／ｆ２は、１を超える又は１未満であり、表面は異方性の湿潤作用を呈示し、異方性の湿潤面２８を形成する。維持力比が１に近づくと濡れの異方性の程度が小さくなる。１のとき、濡れは等方性である。
【００４８】
更に、異方性の湿潤流体接触面２８には、多種多様な形状の非対称のフィーチャが含まれ、多種多様なパターンで配置されることも分かるであろう。例えば、図１６Ｃに示すとおり、異方性の湿潤流体接触面２８を連続したのこぎり歯の畝１７０により基板１７２上に形成することができる。別の例では、図１６Ｄ及び図１６Ｅに示すとおり、角錐台１７４又は円錐台１７６のアスパーティ（ａｓｐｅｒｔｉｅｓ）をある程度規則的なパターンで基板１７２上に配置することができる。凹凸は事実上、逆向きで互いに相違する立ち上がり角度を呈示する他の非対称の形状でもよい。この形状には、不規則形状の３次元固体又は３次元キャビティのほとんど全てが含まれる。
【００４９】
以上の各例から、当業者には当然のことながら、どんなタイプの表面の保持力についても、他のタイプの表面と比べて関係を表すことができる。例えば、図１７は、対称なのこぎりの歯のフィーチャ群を備えた毛細管の保持力の、これに対応する滑らかな管の保持力に対する比を、液体／固体の組み合わせについて、レベルの異なる固有ヒステリシスΔθ０で描写する。たとえ管の表面が滑らかで清潔でも、保持力は存在する。即ち、常に｜ｆ０｜＞０である。ω１が増大し管の表面が粗くなるにつれ、相対的な保持力は増大する。ω１の値が小さくなると、ｆ１／ｆ０の増大は直線的になる。数学的に説明すると、ω１＋１／２Δθ０＜＜１の場合、式（１１）は以下のように低減する。
【００５０】
ｆ１／ｆ０≒２ω１／Δθ０＋１ （１３）
図１７及び式（１３）から当然のことながら、システムの固有ヒスターシス（ｈｙｓｔｅｒｓｉｓ）が大きいと、表面の粗さが保持力に及ぼす影響は小さい。例えば、図１７を用いて、直径の等しい２本の毛細管、即ち、内表面の滑らかな毛細管と、のこぎりの歯のフィーチャ群を備えた毛細管とを、ω１＝１０°で比較すると、液体及び構築の材料は固有ヒステリシスΔθ０＝１０°を示す場合、保持力比は、Δθ０＝３０°の場合（ｆ１／ｆ０＝１．６３）よりずっと大きくなる（ｆ１／ｆ０＝２．９７）。
【００５１】
別の例では、図１８が、非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群を備えた管の保持力比ｆ３／ｆ２をω２に対し、種々の値のω３についてグラフ化して描写している。システムの
固有ヒステリシスをΔθ０＝１０°と仮定する。爪車のような構造を備えた管では、ω２＝４５°、ω３＝９０°、ｆ３／ｆ２＝１．３０である。ω２とω３との差異が大きいと、２つの相対する方向への保持力の相違が大きくなる。つまり、ω２＝１０°及びω３＝９０°の場合、ｆ３／ｆ２＝３．８５である。浅い立ち上がり角度を用いて強度の偏向を作ることもできると予期される。ω２＝１°及びω３＝１０°の場合、ｆ３／ｆ２＝２．４８である。代案として、ω２＝１°及びω３＝９０°の場合、ｆ３／ｆ２＞９である。
【００５２】
更にもう一つの例では、図１９が、非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群を備えた表面の保持力比ｆ３／ｆ２対立ち上がり角度ω２の変動を、レベルの異なる固有ヒステリシスΔθ０について描写している。この例では、ω３＝９０°である。対称なフィーチャ群のように、保持力比はΔθ０の増大により小さくなる。例として、ω２＝１０°及びω３＝９０°の非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群を備えた毛細管では、固有ヒステリシスがΔθ０＝１０°の場合、保持力比はｆ３／ｆ２＝３．８５である。Δθ０が３０°に増大した場合、ｆ３／ｆ２は２．２９に下がる。
【００５３】
上記の関係を実際に用いて、表面の保持力の絶対値を測ってもよい。例えば、内側表面が滑らかで半径がＲ＝１ｍｍのＰＴＦＥの水平管の中の水のスラグが、前進接触角θａ，０＝１０８°及び固有ヒステリシスΔθ０＝１０°を呈示する。図１３Ａに示したフィーチャ群のない管の中では、スラグの移動を妨げる保持力がｆ０＝７７μＮになる。従って、水のスラグの初期移動はどの方向へ向かうにも外力＞７７μＮを必要とする。界面張力の低い流体‐液体の組み合わせを使うと、保持力は小さくなる。
【００５４】
図１３Ｃに示すとおりＰＴＦＥ管の内表面にω２＝１０°及びω３＝９０°の非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群を導入することにより、Δｆ＝６７２μＮとなる。もちろん、どちらの方向にスラグを動かす外力も滑らかな管の値より大きくてｆ２＝２２８μＮ及びｆ３＝９００μＮであることに留意することが重要である。図１３（Ｃ）では、右に向かう保持力ｆ２のほうが小さいので、スラグはたやすく左に動く。管が十分に小さく作られている場合、運動を起動する圧力差は相対的に大きい。前述のＰＴＦＥ管（θａ，０＝１０８°、Δθ０＝１０°、ω２＝１０°、ω３＝９０°）については、管の直径を２０μｍに縮小した場合、水のスラグを一方向に動かすときと他の方向に動かすときとの圧力差は約２０ｋＰａである。よって、このタイプの構築は、マイクロ流体デバイスの弁やゲートなどで有用である。
【００５５】
フィーチャのサイズは、静的なスラグについては比較的些細なことと予期される。小さいフィーチャ群が引き起こす偏向した湿潤作用は大きいフィーチャ群と同一となるはずである。しかし、スラグが動き始めると、小さいフィーチャ群は大きいフィーチャ群より有利となる。小さいフィーチャ群は流れを混乱させる可能性が低い。表面フィーチャ群は大きすぎると、乱流を増大させる恐れがあり、その結果、流体抵抗が増大する。よって、異方性の湿潤流体接触面２８が流体の流れを受ける本発明の一部の実施形態では、異方性の湿潤流体接触面２８を形成する凹凸の平均サイズは一般に５００μｍ未満であり、他の実施形態では一般に１０μｍ未満であり、更に他の実施形態では１００ｎｍ未満である。
【００５６】
ここでの分析は断面が円形の毛細管に照準をあてているが、非円形の管及び付着滴にも適用される。式（１）はプレファクタｋのみ異なる。更に、当業者には当然のことながら、流れの開始の際には、液体の粘度や慣性や垂直の移動から生じる力などの、付加的な力を考える必要がある。
【００５７】
図２０は、外力Ｆｉの影響を受けている静止した付着滴１８０の側面図である。外力は滴１８０の形状を歪ませ、これによって形状を前方に「傾ける（ｌｅａｎ）」。図示のように、滴１８０が臨界状態に達し、保持力と外力とが等しく、ｆｉ＝Ｆｉである。この臨
界構成では、前縁での滴の接触角が前進値θａを呈示し、後縁では後退値θｒを呈示する。Ｆｉがわずかでも増大すると、滴１８０は動き始める。細管の液体スラグに関連する保持力を記述する一般式は、付着滴に関連する保持力も以下のように記述する。
【００５８】
ｆｉ＝ｋγＲ（cos θr −cos θa ） （１）
この場合は、２Ｒは滴の幅であり、プレファクタｋは接触線の形状に依存する。付着滴の接触線が円形の場合は、以下のようになる。
【００５９】
ｋ≒１．５ （２２）
滴が外力の為に伸びると、ｋは増大する。
直径の小さい毛細管中の液体スラグの運動を起動するには、接触線で作動する界面張力に関連する保持力を克服する為に最小の外力を印加する必要がある。保持力の大きさは流体‐液体間の界面張力及び表面粗さと共に増大する。表面粗さが対称なフィーチャ群から成る場合、初期移動に対する抵抗の増大が、細管の軸に沿う両方向で等しく働き、濡れは等方性となる。フィーチャ群が非対称の場合、保持力は一方向で少なく、濡れは異方性となる。表面フィーチャ群の非対称が大きいと、２つの相対する方向への保持力の相違が大きくなる。表面フィーチャ群の適切な設計によって、保持力の差Δｆを５倍よりも大きくできる。固有の接触角ヒステリシスが最小になる液体‐固体の組み合わせによって、大幅に調整がなされると予想される。
【００６０】
一般に、流体取扱装置を作る為の基板材料は、非対称のマイクロスケール又はナノスケールの凹凸群を適切に形成できる一般に疎液性又は超忌避性の材料である。凹凸群を基板材料そのものに直接形成してもよいし、基板材料に蒸着した他の材料の１層以上にフォトリソグラフィ又は多様な好適な方法のいずれかによって形成してもよい。本発明に係るマイクロスケールの凹凸を、既知の成形法及びスタンピング法を用い、プロセスで用いる型やスタンプの工具などをテクスチャ加工することにより形成してよい。プロセスには、射出成形、テクスチャ加工済みのカレンダーロールによる押し出し、圧縮成形工具に加え、マイクロスケールの凹凸の形成に適している他の既知の工具又は方法などがある。
【００６１】
所望の形状と間隔のスケールの小さい凹凸の形成に適した他の方法には、米国特許出願公開第２００２／００３３４８７９号に開示されているようなナノマシニングや、米国特許第５，７２５，７８８号に開示されているようなマイクロスタンピングや、米国特許第５，９００，１６０号に開示されているようなマイクロコンタクトプリンティングや、米国特許第５，６０９，９０７号に開示されているような自己組織化金属コロイド単分子膜や、米国特許第６，４４４，２５４号に開示されているようなマイクロスタンピングや、米国特許第５，２５２，８３５号に開示されているような原子間力顕微鏡ナノマシニングや、米国特許第６，４０３，３８８号に開示されているようなナノマシニングや、米国特許第６，５３０，５５４号に開示されているようなゾル‐ゲル成形や、米国特許第６，５１８，１６８号に開示されているような自己組織化単分子膜向けの表面パターニングや、米国特許第６，５４１，３８９号に開示されているような化学エッチングや、米国特許出願公開第２００３／００４７８２２号に開示されているようなゾル‐ゲルスタンピングなどがあり、上記の出願及び特許すべてがこれによって完全に参照により本願に組み込まれる。所望の凹凸のジオメトリを形成する為に、カーボンナノチューブ構造を使用することもできる。カーボンナノチューブ構造の例は、米国特許出願公開第２００２／００９８１３５号及び第２００２／０１３６６８３号に開示されており、これらもやはりこれによって完全に参照により本願に組み込まれる。更に、好適な凹凸の構造を、コロイド状のインクによるプリンティングという既知の方法を用いて形成してよい。もちろん、当然のことながら、マイクロスケール／ナノスケールの凹凸群を正確に形成できる他の方法を用いてもよい。マイクロスケール又はナノスケールの凹凸群の形成に適したフォトリソグラフィ法が、ＰＣＴ特許出願公報第０２／０８４３４０号に開示されており、この出願も、これ
によって完全に参照により本願に組み込まれる。
【００６２】
本発明の異方性の湿潤面が無数の応用で有用だということが予期される。例えば、異方性の湿潤面が、配管、管類、継手、弁、他の装置などの、流体取扱システムの濡れる部分に張りつけられている場合、流体の摩擦及び乱流が大幅に低減されるということが予期される。乾燥時間が短くなり乾燥後に表面に残る繰り越しの化学残留物が少なくなることで、臨界的な洗浄プロセスの有効性が改善される。本発明に係る異方性の湿潤面が、表面のバイオフィルムでの有機体の成長に耐性を示すことも予期され、これは、１つには、大幅に改善された表面の指向性の排水性のおかげである。
【００６３】
異方性の湿潤面の原理を、同様に超忌避性の表面に適用することもできる。極端な忌避性の湿潤面が、以下の米国特許及び米国特許出願に記載されている。米国特許出願第１０／８２４，３４０号、米国特許出願第１０／８３７，２４１号、米国特許出願第１０／４５４，７４３号、米国特許出願第１０／４５４，７４０号、米国特許第６，８４５，７８８号。上記の出願及び特許は参照により全体が本願に組み込まれる。上記の出願及び特許の開示を本出願と共に利用して、異方性の濡れと超忌避性の特性との両方を実際に示す表面を設計することができる。
【００６４】
本発明を、本発明の中心の属性から逸脱することなく他の特定の形態で具体化してもよく、よって、図示の実施形態を、あらゆる点で実例となるものと考えるべきであり、限定的なものと考えるべきではなく、本発明の範囲を示す為に、参照するのは前述の説明ではなく添付の請求項である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る異方性の流体接触面を備えた管類の長さの部分的な縦方向の断面図。
【図２】線２‐２に沿って切断した図１に示した管類の長さの断面図。
【図３】パイプの２つの接合部分を接続している、本発明に係る９０度に湾曲した継手の部分的な縦方向の断面図。
【図４】本発明に係る三方弁の構成要素の断面図。
【図５】本発明に係る二方弁の構成要素の断面図。
【図６】本発明に係る直列の流量計の構成要素の断面図。
【図７】本発明に係る直列の流量計のサイトチューブの断面図。
【図８】本発明に係る異方性の湿潤流体接触面を備えたマイクロ流体デバイスの分解組立図。
【図９】図８の面９‐９に沿って切断した図８のデバイスの断面図。
【図１０】本発明に係るマイクロ流体デバイスの代替の実施形態の図。
【図１１】本発明に係る異方性の流体接触面を備えた燃料電池スタック装置の略断面図。
【図１２】本装置の１つのチャネルを描写している、図１１の燃料電池スタック装置の拡大部分図。
【図１３Ａ】滑らかな壁面を備えた毛細管の断面図。
【図１３Ｂ】対称の凹凸を有する壁面を備えた毛細管の断面図。
【図１３Ｃ】非対称の凹凸を有する壁面を備えた毛細管の断面図。
【図１４】毛細管中の液体スラグが外力の影響を受けている状態の断面図。
【図１５Ａ】表面の凹凸又は表面のフィーチャと相互に作用している液体スラグの接触線が前進している状態の拡大側面図。
【図１５Ｂ】表面の凹凸又は表面のフィーチャと相互に作用している液体スラグの接触線が後退している状態の拡大側面図。
【図１６Ａ】対称で、一般にのこぎり歯形の凹凸を有する毛細管壁の拡大部分断面図。
【図１６Ｂ】非対称で、一般にのこぎり歯形の凹凸を有する毛細管壁の拡大部分断面図。
【図１６Ｃ】非対称で、一般にのこぎり歯形の畝の形の凹凸を備えた異方性の流体接触面の拡大部分斜視図。
【図１６Ｄ】非対称の角錐台の凹凸を備えた異方性の流体接触面の拡大部分斜視図。
【図１６Ｅ】非対称の円錐台の凹凸を備えた異方性の流体接触面の拡大部分斜視図。
【図１７】対応する平滑面に比べ対称なのこぎり歯のフィーチャを備えた表面の保持力の比のグラフ。
【図１８】立ち上がり角度に対する非対称なのこぎり歯のフィーチャを備えた表面の保持力の比のグラフ。
【図１９】立ち上がり角度に対する非対称なのこぎり歯のフィーチャを備えた表面の保持力の比のグラフ。
【図２０】Ｆｉ＝ｆｉという臨界条件での付着液滴の側面図。
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に流体取扱装置に関し、より具体的には流体取扱装置の濡れ面に関する。（関連出願）
本出願は、２００５年９月１６日提出の、米国特許出願第１１／２２９，４７８号、米国特許出願第１１／２２８，８６６号、米国特許出願第１１／２２９，０８０号の利益を主張し、上記の出願全てがこれによって完全に参照により本願に組み込まれる。ただし、上記の各特許出願を仮出願に変更する申請書が提出されているが、この変更は、上記の出願に対する優先権の主張には影響がないよう意図されている。
【背景技術】
【０００２】
多くの工業プロセスには、液体と固体表面との相互作用が伴う。多くの場合、特定の結果を達成するよう、相互作用の仕方、特に表面の濡れの程度を制御する又はこれに影響を与えることが望まれる。例えば、表面の濡れをより激しくすべく洗浄プロセスで用いる液体に界面活性剤を添加することがある。逆に、表面の濡れを減らして衣類製品の乾燥を早める為に、衣類に液体をはじくコーティング剤を添加することもある。
【０００３】
表面の濡れに影響を及ぼす原理及び特性を分析し理解する努力が数十年間に亘りなされてきた。液体による濡れに耐性を示す表面である液体「忌避性（ｐｈｏｂｉｃ）」の表面には特に関心が高まっている。このような表面は疎水性を指すことがあり、液体は具体的には水であり、一般に水や他のあらゆる液体に対し相対的に疎液性である。水又は他の液体の小滴が、表面に対して非常に高い静止接触角（約１２０度より大きい）を呈示する程に表面が濡れに抵抗する場合に、表面が呈示している液体の飛沫を保持する傾向が著しく低いと、又は、完全に液体に沈んでいる際に表面に液体‐気体‐固体の界面があると、この表面を一般に超疎水性又は超疎液性の表面と呼ぶことがある。この応用に関しては、超疎水性の表面と超疎液性の表面の両方を一般に指す為に、超忌避性という用語を用いる。
【０００４】
排水性を有する表面は、商業的応用及び工業的応用においてさまざまな理由で特に興味深い。液体を表面で乾燥させる必要のあるプロセスのほとんど全てで、加熱も長い乾燥時間も要することなく表面が液体をはじけば、効率が非常に高くなる。多くの場合、応用には、流体が重力の影響の為にキャビティや低い場所などに保持されないように、乾燥に望ましい向きがある。
【０００５】
なおまた、従来の表面とは対照的に超忌避性の表面では液体と表面との摩擦は劇的に小さくなる。この結果、無数の巨視的な水力学的応用及び流体力学的応用で、特にマイクロ流体の応用で、特定の方向の表面の摩擦を小さくし流れを増大させるには、偏向している湿潤面が極めて望ましい。特定のマイクロ流体の応用では、流体が一方向に反対方向より容易に導管を流れることが望ましい場合がある。他の状況では、流体が装置の特定の部分に保持される又は流体の流量を減らすことが望ましい場合がある。
【０００６】
現在、表面粗さが表面の濡れの程度に重大な影響を及ぼすことは周知である。ある状況下では、粗さによる液体の表面への付着が、それに対応する平滑面に対する付着よりも強力になる可能性があることが一般に観察されてきた。しかし、別の状況では、粗さによる液体の粗い面への付着が平滑面への付着よりも弱いことがある。状況次第で、表面粗さによって、表面は偏向している濡れを実際に示す。
【０００７】
これまでに、表面に意図的な粗さを採り入れて超忌避性の表面を生成することに努力がなされてきた。粗面は一般に、非常に多くのマイクロスケールからナノスケールの突出部
又はキャビティ、本明細書では「凹凸」と呼ぶものを備えた基板部材の形をとる。
【０００８】
表面の濡れ特性が、特定の流体取扱製品と比べて重大な影響を持つことがある。例えば、燃料電池の流体管理及び湿潤作用が最近の研究のほとんどの主題であった。燃料電池の設計の懸案は、電池の中の水を管理することである。燃料電池は反応生成物として水を生成する。ある条件下で、水は電池内で非常に速く放出される。この水は、一般に電池の陰極側で生成され、溜まってしまうと、電池への燃料の流れを制限するか阻止する。このような条件は、当該分野では「カソードフラッディング」として既知である。加えて、電池と周囲環境との温度差が大きい場合があり、その結果、動作中に空気が電池に入ったり出たりする時に水蒸気の凝結が引き起こされかねない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
一般的に、バイポーラプレートの表面には排出チャネル群が設けられ、水を、チャネル群を通らせ収集区域へと方向づけて電池から排出するようになっている。加えて、バイポーラプレートは、多くの場合、相対的に表面エネルギーの低い材料から作られているので、水はバイポーラプレートから更に簡単にはける。しかし、どの対策も、燃料電池におけるカソードフラッディングの問題及び水の管理の問題の解消に全く成果をあげていない。中でも特に、燃料電池にＰＴＦＥなどの表面エネルギーの低い材料を用いている場合でも、水滴が、望んだようにはけず、電池の中のバイポーラのプレートや他の表面にくっつく恐れがある。当該産業で求められているものは、電池内の排水の改善を容易にする構成要素を備えた燃料電池である。
【００１０】
もう１つの例については、マイクロ流体デバイスの設計における重要な要素は、デバイスの顕微鏡的なチャネルでの流体と表面との接触により課された流体運動に対する抵抗である。流体がある方向にもう一つの方向よりも容易に流れることができるよう、マイクロフイディックデバイス内の流体の流れを制御することが望ましいと思われる。概して、反応物質が１つ以上の流入口でミルコ流体デバイスに流れ込み、生成物が１つ以上の流出口から流れ出す。逆方向への流れによって、反応物質が汚染されたり他の問題が起きたりすることがある。当該産業で求められているものは、流体の流れに対し予測可能なレベルの異方性の抵抗又は偏向している抵抗を持つ流体フローチャネルを備えたマイクロ流体デバイスである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
ある実施形態では、本発明が含む流体取扱装置は、耐久性のある一般に疎液性又は超忌避性の表面を有しており、この表面は異方性の湿潤性を備えている。即ち、流体は、流体が流れる方向に依存して表面上の流れに対し変化する抵抗を実際に示す。異方性の湿潤面には一般に、非常に多くの突出した非対称の規則的な形状のマイクロスケール又はナノスケールの凹凸を備えた基板部がある。この応用に関しては、流体取扱装置には、パイプ、管類、継手、弁、流量計、タンク、ポンプ、燃料電池の濡れる構成要素、マイクロ流体デバイス及び構成要素に加え、流体を取り扱ったり、移送したり、収容したり、運搬したりする為に用いる他の装置又は構成要素を含む。流体取扱装置には、ピペット、ビュレット、フラスコ、ビーカー、管類、ノズル、継手に加え、研究所又は製造処理環境で流体を測定及び転送するのに用いられる他の装置が含まれる。
【００１２】
凹凸を、基板材料そのものの中又は上に形成してもよいし、基板の表面に配置された材料の１層以上の層に形成してもよい。凹凸は、規則的な形状又は不規則形状の３次元固体又は３次元キャビティのどれでもよいし、凹凸を規則的な幾何学的パターンのどれに配置してもよいし、無作為に配置してもよい。
【００１３】
本発明に係るマイクロスケールの凹凸を、既知の成形法及びスタンピング法を用い、プロセスで用いる型やスタンプの工具などをテクスチャ加工することにより形成してよい。プロセスには、射出成形、テクスチャ加工済みのカレンダーロールによる押し出し、圧縮成形工具、マイクロスケールの凹凸の形成に適している他の既知の工具又は方法などがある。
【００１４】
スケールの小さい凹凸を、フォトリソグラフィを用いて形成してもよいし、ナノマシニング、マイクロスタンピング、マイクロコンタクトプリンティング、自己集合性金属コロイド単分子膜、原子間力顕微鏡ナノマシニング、ゾル‐ゲル成形、自己組織化単分子膜向けのパターニング、化学エッチング、ゾル‐ゲルスタンピング、コロイド状のインクによるプリンティングを用いて形成してもよいし、平行なカーボンナノチューブの層の基板への配置によって形成してもよい。
【００１５】
非対称の凹凸を生成することによって、表面に対する流体の保持性を偏向させることができる。このアプローチを、平面のみならず、管や谷などの曲面にも適用できる。偏向している流体の保持を従来の湿潤面並びに超忌避性の表面に組み込むことができる。非対称のフィーチャはランダムに設計してもよいし周期的に設計してもよい。周期的な凹凸は２次元で変動することがあり、例えば、縞、畝、谷、溝などの構造を持つ。周期的な凹凸は３次元で変動することがあり、例えば、柱、角錐、円錐、穴などである。凹凸のサイズ、形状、間隔、角度を、所望の異方性の湿潤作用を達成するように作ることができる。
【００１６】
一般に、異方性の湿潤性は、表面の飛沫や、管、谷、チャネル内のスラグで効果的である。異方性の湿潤性を有する表面を用いて、確実に小滴又は液体のスラグを表面から完全に排出させたり、交互に、注入又は排出のプロセスの終わりに滴る危険が小さくなるよう飛沫又はスラグを保持するのを確実に助けることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本出願の目的の為、流体取扱装置には、パイプ、管類、継手、弁、流量計、タンク、ポンプ、燃料電池の濡れる構成要素、マイクロ流体デバイス及び構成要素に加え、流体を取り扱ったり、移送したり、収容したり、運搬したりする為に用いる他の装置又は構成要素が含まれる。流体取扱装置には、ピペット、ビュレット、フラスコ、ビーカー、管類、ノズル、継手に加え、研究所又は製造処理環境で流体を測定する又は転送するのに用いられる熱又は質量の交換器などの他の装置が含まれ、熱又は質量の交換器には、フィルタ、熱交換器、それらの構成要素などがあるが制限はない。用語「流体接触面（ｆｌｕｉｄ ｃｏｎｔａｃｔ ｓｕｒｆａｃｅ）」は、流体と接触しうる流体取扱部品のあらゆる表面やその一部を広く指す。用語「流体取扱システム」は、流体に関し相互に接続された配列の流体取扱部品の全てを指す。
【００１８】
本発明に係る流体取扱部品の種々の実施形態を図１〜図１２に示す。図１及び図２では、１本の管２０には、一般に本体２２が含まれ、本体２２は流体の移送の為のボア２４を画成する。ボア２４が一列に並ぶよう基板層２６が配置されている。基板層２６に異方性の湿潤流体接触面２８が形成されており、ボア２４を流れる流体に接触するように内側を向いている。基板層２６を、本体２２に、同時係属中の米国特許出願第１０／３０４，４５９号に開示されているようなフィルムインサート成形により張りつけてもよい。この出願は、一般に本発明の所有者により所有されており、これによって本明細書に参照により完全に組み込まれる。図１及び図２の実施形態では基板層２６は独立したものとして描写されているが、しごく当然のことながら、他の実施形態では、本体２２は、本体２２の内側向きの面に異方性の湿潤流体接触面２８を直接形成した基板となる場合がある。更に、異方性の湿潤流体接触面が管２０の全長に亘っていたり、流れの条件が臨界的な位置なら所望のどの位置にも選択的に位置付けられたりすることも分かるであろう。
【００１９】
図３に、流体取扱部品の別の実施形態である、９０度に湾曲した継手３０の形の流体取扱部品を示し、継手３０は２本のパイプ３２を接続している。湾曲した継手３０には一般に本体部３４があり、本体部３４は内表面３６のすぐ上に異方性の湿潤流体接触面２８を備えている。各パイプ３２の内表面３８も異方性の湿潤接触面２８である場合がある。もちろん、しごく当然のことながら、異方性の湿潤流体接触面２８を、あらゆる形状又はあらゆるサイズの、パイプ、管類、継手、チャネルに設けてよい。例えば、本明細書では図３に９０度に湾曲した継手を示したが、他の継手、例えば、スイープエルボ、Ｔ字管、Ｙ字管、更にはサニタリー継手、マニホールドなどにも、本発明に係る異方性の湿潤流体接触面を設けてよい。
【００２０】
加えて、異方性の湿潤流体接触面２８を、更に複雑な他の流体取扱部品、例えば図５に示した２位置弁４０などにも設けてよい。２位置弁４０には一般に弁本体４２と弁棒４４とがある。弁本体４２には一般に、連続しているフローチャネル５０に接続された入口４６及び出口４８がある。弁棒４４には、ハンドル５２と、ロッド５４と、シール面５６とがある。異方性の湿潤流体接触面２８を、入口４６や、出口４８や、フローチャネル５０や、これらのあらゆる所望の部分を含む２位置弁４０の濡れ面全体に、排出を促進する向きで形成してよい。異方性の湿潤流体接触面２８を弁棒４４の濡れる部分に形成してもよい。
【００２１】
図４に流体取扱部品の別の代替の実施形態を示す。図４では、３位置弁６０には弁本体６２があり、弁本体６２には、入口６４と、第１の出口６６と、第２の出口６８とがある。３位置弁６０には更に、中心ボア７２の中に弁棒７０がある。第１の出口６６及び第２の出口６８は、かかりのついた端部７３を有した構成になっており、この端部７３は流体回路の残りの部分との相互接続を容易にする。ここでも、異方性の湿潤流体接触面２８を、弁本体６２及び弁棒７０の濡れ面全体に亘って形成してもよいし、選択的にこれらの任意の部分に形成してもよい。
【００２２】
異方性の湿潤流体接触面２８をどんな構成の弁にも張りつけられることが明らかである。この構成には、入口及び出口と、オスコネクタやメスコネクタやねじ切り型のコネクタやサニタリー用コネクタなどのさまざまな弁の接続とが、幾つあってもよい。加えて、本発明に係る異方性の湿潤流体接触面を、ボール弁やゲート弁やダイアフラム弁などで用いる多種多様な弁棒に選択的に張りつけて、排出を容易にする、そうでない場合には流体運動を偏らせたり方向づけたりしてよい。
【００２３】
図６及び図７に示すとおり、流体取扱部品は流量計アセンブリ７４の形の場合がある。流量計アセンブリ７４には一般に、入口７６と、出口７８と、サイトチューブ８０と、浮き８２とがある。図示の実施形態では、異方性の湿潤流体接触面２８が流量計アセンブリ７４の全ての濡れ面に形成されている。図７に示した代替の実施形態では、サイトチューブ８０には内側基板層８４があり、基板層８４の内側表面８６には異方性の湿潤流体接触面２８が備わっている。当然のことながら、異方性の湿潤流体接触面２８を、流量データを送信するセンサ群を持つ流量計などを含むどんなタイプの流体モニタリング装置に張りつけてもよい。このような実施形態では、異方性の湿潤流体接触面２８を、パドルホイールや、タービンや、磁石や、産業界において通常用いられる他の流体検知装置などを利用して、センサ上に形成してよい。
【００２４】
要するに、当然のことながら、異方性の湿潤流体接触面２８を、このような特性が望まれる流体取扱部品のどれにでも張りつけられる。流体取扱部品の他の例には、ポンプやノズルや堰などの流体移動装置と、シリンダなどの水力学的な要素とがある。これもしごく当然のことながら、本発明の異方性の湿潤流体接触面２８は、マイクロ流体取扱部品に張
りつけられるので、有利である。
【００２５】
この応用に関しては、用語「マイクロ流体取扱部品」は、流体との接触、流体の取り扱い、移送、収容、処理、運搬等を行う為に用いられる他の装置又は構成要素を広く指し、ここで、流体は顕微鏡的次元の１つ以上の流体フローチャネルを流れる。この応用に関しては、「顕微鏡的」は、５００μｍ以下の次元を意味する。
【００２６】
図８には、本発明に係るマイクロ流体デバイス８８を大幅に拡大した分解組立図が描写されている。デバイス８８には一般に本体９０があり、本体９０の中に長方形のフローチャネル９２が画成されている。本体９０には一般に主要部９４とカバー部９６とがある。フローチャネル９２は、主要部９４の内側向きの各面９８による３面とカバー部９６の内側向きの面１００による第４の面とで画成されている。各面９８と面１００とが一緒になって、図８及び図９に示すとおり、チャネル壁１０２を画成する。
【００２７】
本発明に係る、チャネル壁１０２の全て又は任意の所望の部分に、異方性の湿潤流体接触面２８を設けてよい。長方形のフローチャネルを備えた２つの部分から成る構成を図８に示したが、もちろんしごく当然のことながら、マイクロ流体デバイス８８を、事実上フローチャネルの他の形状又は構成を備えた他の構成で形成してよく、例えば、円筒形や多角形や不規則形状などの形状のフローチャネルを内部に形成した一体化された本体などでよい。
【００２８】
図１０にマイクロ流体デバイス８８の代替の実施形態の断面を描写する。この実施形態では、本体１０４が一体化されて形成されている。本体１０４内部に円筒形のフローチャネル１０６が画成され、円筒形のフローチャネル１０６には、フローチャネル１０６の内側を向いている異方性の湿潤流体接触面２８を呈するチャネル壁１０８がある。
【００２９】
やはり当然のことながら、本発明には燃料電池内の流体管理における特定の応用がある。この応用に関しては、用語「燃料電池」は、あらゆるタイプのあらゆる電気化学燃料電池デバイス又は装置を意味し、これには、固体高分子形燃料電池（ＰＥＭＦＣ）、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）などが含まれるがこれに限定されるものではない。用語「燃料電池スタック装置」は、燃料電池の機能に関するあらゆる独立した構成要素に加え、少なくとも１つの燃料電池及びそのあらゆる構成要素を含む装置を指す。独立した構成要素には、エンクロージャ、絶縁体、マニホールド、配管、電気部品などが含まれるがこれに限定されるものではない。
【００３０】
図１１の略断面図に本発明に係る燃料電池スタック装置１１０の実施形態の一部を描写する。燃料電池スタック装置１１０には一般に複数の膜電極接合体１１２があり、膜電極接合体１１２は各バイポーラプレート１１４により分離されている。装置１１０を各エンドプレート１１６がそれぞれの端部で収容している。各膜電極接合体１１２には一般に、陽極の膜構造１１８と、陰極の膜構造１２０と、電解質１２２とがある。
【００３１】
バイポーラプレート群１１４及びエンドプレート群１１６は一般的に、電気的に導電性の、金属又は炭素充填ポリマーなどの耐食性かつ耐熱性の材料から作られている。バイポーラプレート群１１４の各表面１２４とエンドプレート群１１６の内側向きの各面１２６とが、一般的に、燃料及び酸化剤を膜電極接合体１１２に運搬するチャネル群１２８を画成し、反応の生成物である水を排出させる。電池から熱を取り除く為に、バイポーラプレート群１１４及びエンドプレート群１１６の各熱伝達部１３０が表面積を付加する場合がある。
【００３２】
本発明に従い、バイポーラプレート群１１４又はエンドプレート群１１６の外面の全て又は任意の所望の部分が異方性の湿潤面２８である場合がある。図１２に示すとおり、例えば、チャネル群１２８の排水を改善する為に、異方性の湿潤面２８をチャネル群１２８の内側向きの面１３２に設けてよい。異方性の湿潤面２８上では反応過程中に放出された水滴が所望の方向により流れやすくなるので、水は重力によってチャネル群１２８から排出される。
【００３３】
図１１に示すとおり、熱伝達部１３０や外面１３４などのバイポーラプレート群１１４又はエンドプレート群１１６の他の部分にも、これらの面に集まる又は凝結する水の排出を改善する為に異方性の湿潤面２８を設けてよい。燃料電池スタックアセンブリの他の構成要素、例えば、燃料及び酸化剤のマニホールド及び配管（図示せず）、ベント（図示せず）、エンクロージャの表面（図示せず）などには、これらの構成要素上に、周囲環境と電池内の高温との間での湿ったガスの運動によって凝結する恐れのある水を排出する為に、異方性の湿潤面２８を設けてよい。しごく当然のことながら、本発明に係る異方性の湿潤面２８を、燃料電池スタック装置の排水特性を改善する為、燃料電池スタック装置のどの部品の所望の部分のどこにでも設けてよい。
【００３４】
次に、異方性の湿潤流体接触面の構造の理解について考えると、例示を目的とした図１３Ａ〜図１３Ｃの縦方向の断面図に円筒形の毛細管群１３６が描写されており、それぞれ、液体スラグ１４０を収容するフローチャネル１３８を画成している。図１３Ａは、相対的に滑らかな壁面１４２を持つ細管１３６のフローチャネル１３８を描写している。図１３Ｂは、一般に対称ののこぎりの歯のフィーチャ１４４群を壁１４５に備えたフローチャネル１３８を描写しており、のこぎりの歯のフィーチャ１４４のサイズははっきりさせるべく大幅に誇張されている。図１３Ｃは、非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群１４６を壁１４７に備えたフローチャネル１３８を描写しており、本発明の実施形態に係る異方性の湿潤面２８が形成されており、非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群１４６のサイズもやはり、はっきりさせるべく大幅に誇張されている。
【００３５】
図１３Ａの滑らかな管１３６では、スラグ１４０の運動に抵抗する左への保持力−ｆ０と、運動に抵抗する右への保持力ｆ０とが等しい。同様に、図１３Ｂの対称のフィーチャ群１４４を備えた管でも、スラグ１４０の運動に抵抗する左への保持力−ｆ１と、運動に抵抗する右への保持力ｆ１とが等しい。しかし、図１３Ｃに示した非対称のフィーチャ群１４６を備えた管については、流体の流れは一般に、フィーチャ群１４６により形成されたピークや谷を横切っており、スラグ１４０の運動に抵抗する左への保持力ｆ３が、運動に抵抗する右への保持力ｆ２よりかなり少ない。以下で更に詳しく論じるとおり、保持力のこの差異は、表面フィーチャのジオメトリにより決定される。本明細書に記載した所定の関係に従って非対称の表面フィーチャを配置することにより、保持力の差異によって異方性の湿潤流体接触面が生ずる。
【００３６】
当然のことながら、図１３Ａ〜図１３Ｃの各液体スラグ１４０は、外力の影響がない場合、慣性及び摩擦を克服する為に印加されるエネルギーがないので、各管１３６内で静止した状態を保つ傾向がある。図１４の半径Ｒの毛細管１３６内に流体‐液体の界面である１４８及び１５０を示すが、外力Ｆがスラグ１４０に印加されたら、スラグ１４０は１４８及び１５０の両界面と共に歪み、印加された力の方向にそれる。この外力Ｆは、例えば、管の勾配や管の端部１５２に印加された流体圧力などから生じる場合がある。前縁接触線１５４及び後縁接触線１５６にある毛細管力が、スラグ１４０を留めておく傾向があり、印加された外力Ｆが臨界値即ちＦｉを超えるまで、運動を抑制する。このしきい値に達してＦｉが保持力ｆｉに等しくなったら、スラグ１４０の歪んだ界面である１４８及び１５０が、前縁接触線１５４で、前進接触角即ちθａを呈示し、後縁接触線１５６で後退値即ちθｒを呈示する。外力Ｆが更に増大してＦｉ＞ｆｉとなったら、スラグ１４０は外力
Ｆに促される方向に動き始める。
【００３７】
保持力の大きさ即ちｆｉは、半径Ｒの円筒形の毛細管内の初期移動に抵抗するものであり、流体‐液体間の界面張力即ちγと、前進接触角と、後退接触角とにより決定され、以下のとおりである。
【００３８】
ｆｉ＝ｋγＲ（cos θｒ−cos θａ） （１）
ここで、ｋ＝２p …（２） である。
表面が清潔で滑らかであり欠陥がない場合、保持力を、固有の接触角、即ちθａ，０及びθｒ，０に関して以下のように表すことができる。
【００３９】
ｆ０＝ｋγＲ（cos θｒ，０−cos θａ，０） （３）
表面粗さによって一般に保持力が平滑面の保持力よりも増大する。この増大は、接触角と表面の凹凸やフィーチャとの幾何学的な相互作用による接触角の変化から生じる。図１５Ａ及び図１５Ｂに示すように、スラグ１４０の接触線と基板表面１５８上の表面の凹凸又は表面のフィーチャ１４６とが相互に作用しているものと考える。基板表面１５８からのフィーチャ１４６の立ち上がり角度をωｉと示す。図１５（Ａ）は、フィーチャ１４６の上を前進している接触線１６２を描写しており、見掛けの前進接触角はθａである。液体がフィーチャ１４６の面１６４に呈示するのが、その真の前進接触角値、即ちθａ，０である。基板表面１５８に対する見掛けの前進接触角θａと真の前進角θａ，０との差異は、フィーチャからの立ち上がり角度ωｉに依存する。フィーチャ１４６との相互作用によって、θａは以下のように増大する。
【００４０】
θａ＝θa, 0＋ωｉ （４）
図１５（Ｂ）は、同一のフィーチャ１４６から退却する接触線１６６を描写しており、見掛けの後退接触角はθｒである。液体がフィーチャ１４６の面１６４に呈示するのが、その真の後退値、即ちθｒ，０である。前進の場合と対照的に、フィーチャとの相互作用によって、θｒは以下のように減少する。
【００４１】
θｒ＝θr, 0−ωｉ （５）
例示の為に、毛細管１３６の内表面のフィーチャ群１４４、１４６が、図１６Ａ及び図１６Ｂに示すのこぎり歯又は爪車のパターンの形をとり、これらの管の粗さが放射状に対称である（フィーチャ群が、断面形状のばらつきなく周囲全体に広がっている）、と仮定する。図１６（Ａ）に描かれているように立ち上がり角度ω１の対称なフィーチャ群１４４については、保持力である−ｆ１とｆ１とが等しく、濡れは等方性である。ｆ１を推定する数式は、式（１）と式（４）と式（５）との組み合わせから得られる。
【００４２】
ｆｉ＝ｋγＲ［cos （θr, 0−ωｉ）−cos （θa, 0＋ωｉ）］ （６）
毛細管１３６の内表面に図１６（Ｂ）に示した非対称のフィーチャ群１４６がある場合、保持力の差の大きさΔｆ、即ちｆ３とｆ２との差異は、ω２及びω３に関して以下のように表される。
【００４３】
Δｆ＝ｆ３−ｆ２＝ｋγＲ［cos （θr, 0−ω３）−cos （θa, 0＋ω３）−cos （θr, 0−ω２）＋cos （θa, 0＋ω２）］ （７）
幾何学上の制限の為、θｒ，０−ωｉ≧０°かつθａ，０＋ωｉ≦１８０°でなくてはならない。多くの三角関数を適用して項を分離しこれらの数式を単純にできる。保持力ｆｉの一般の形態は以下のようになる。
【００４４】
ｆｉ／ｋγＲ＝２sin ［1/2 （θr, 0＋θa, 0）］sin （ωｉ＋1/2 Δθ0 ） （８）
この式を、固有ヒステリシスΔθ０に関して以下のように組み立てることができる。
Δθ０＝θa, 0−θr, 0 （９）
更に、立ち上がり角度ωｉは、清潔な平滑面でｉ＝０の場合、ω０＝０であり、対称なのこぎりの歯のフィーチャ群を備えた表面でｉ＝１の場合、ω１＞０であり、非対称のフィーチャ群を備えた表面でｉ＝２又は３の場合、ω２≠ω３である。保持力の差Δｆを、粗さが非対称である管を記述する式（７）から、以下のように書き換えることができる。
【００４５】
Δｆ＝ｆ３−ｆ２＝２ｋγＲsin ［1/2 （θr, 0＋θa, 0）］sin ［（ω３＋1/2 Δθ0 ）−（ω２＋1/2 Δθ0 ）］ （１０）
式（８）を用いて保持力を比として表すことができる。例えば、対称なのこぎりの歯のフィーチャ群を備えた毛細管の保持力の、これに対応する対照的に平滑面を備えた管の保持力に対する比は、以下のようになる。
【００４６】
ｆ１／ｆ０＝sin （ω１＋1/2 Δθ0 ）／sin （1/2 Δθ0 ） （１１）
別の例では、非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群を備えた管の中の保持力の比を、以下のように表すことができ、このとき保持力は互いに正反対を向いている。
【００４７】
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０） （１２）
当然のことながら、維持力比としても知られている、このｆ３／ｆ２は、１を超える又は１未満であり、表面は異方性の湿潤作用を呈示し、異方性の湿潤面２８を形成する。維持力比が１に近づくと濡れの異方性の程度が小さくなる。１のとき、濡れは等方性である。
【００４８】
更に、異方性の湿潤流体接触面２８には、多種多様な形状の非対称のフィーチャが含まれ、多種多様なパターンで配置されることも分かるであろう。例えば、図１６Ｃに示すとおり、異方性の湿潤流体接触面２８を連続したのこぎり歯の畝１７０により基板１７２上に形成することができる。別の例では、図１６Ｄ及び図１６Ｅに示すとおり、角錐台１７４又は円錐台１７６のアスパーティ（ａｓｐｅｒｔｉｅｓ）をある程度規則的なパターンで基板１７２上に配置することができる。凹凸は事実上、逆向きで互いに相違する立ち上がり角度を呈示する他の非対称の形状でもよい。この形状には、不規則形状の３次元固体又は３次元キャビティのほとんど全てが含まれる。
【００４９】
以上の各例から、当業者には当然のことながら、どんなタイプの表面の保持力についても、他のタイプの表面と比べて関係を表すことができる。例えば、図１７は、対称なのこぎりの歯のフィーチャ群を備えた毛細管の保持力の、これに対応する滑らかな管の保持力に対する比を、液体／固体の組み合わせについて、レベルの異なる固有ヒステリシスΔθ０で描写する。たとえ管の表面が滑らかで清潔でも、保持力は存在する。即ち、常に｜ｆ０｜＞０である。ω１が増大し管の表面が粗くなるにつれ、相対的な保持力は増大する。ω１の値が小さくなると、ｆ１／ｆ０の増大は直線的になる。数学的に説明すると、ω１＋１／２Δθ０＜＜１の場合、式（１１）は以下のように低減する。
【００５０】
ｆ１／ｆ０≒２ω１／Δθ０＋１ （１３）
図１７及び式（１３）から当然のことながら、システムの固有ヒスターシス（ｈｙｓｔｅｒｓｉｓ）が大きいと、表面の粗さが保持力に及ぼす影響は小さい。例えば、図１７を用いて、直径の等しい２本の毛細管、即ち、内表面の滑らかな毛細管と、のこぎりの歯のフィーチャ群を備えた毛細管とを、ω１＝１０°で比較すると、液体及び構築の材料は固有ヒステリシスΔθ０＝１０°を示す場合、保持力比は、Δθ０＝３０°の場合（ｆ１／ｆ０＝１．６３）よりずっと大きくなる（ｆ１／ｆ０＝２．９７）。
【００５１】
別の例では、図１８が、非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群を備えた管の保持力比ｆ３／ｆ２をω２に対し、種々の値のω３についてグラフ化して描写している。システムの
固有ヒステリシスをΔθ０＝１０°と仮定する。爪車のような構造を備えた管では、ω２＝４５°、ω３＝９０°、ｆ３／ｆ２＝１．３０である。ω２とω３との差異が大きいと、２つの相対する方向への保持力の相違が大きくなる。つまり、ω２＝１０°及びω３＝９０°の場合、ｆ３／ｆ２＝３．８５である。浅い立ち上がり角度を用いて強度の偏向を作ることもできると予期される。ω２＝１°及びω３＝１０°の場合、ｆ３／ｆ２＝２．４８である。代案として、ω２＝１°及びω３＝９０°の場合、ｆ３／ｆ２＞９である。
【００５２】
更にもう一つの例では、図１９が、非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群を備えた表面の保持力比ｆ３／ｆ２対立ち上がり角度ω２の変動を、レベルの異なる固有ヒステリシスΔθ０について描写している。この例では、ω３＝９０°である。対称なフィーチャ群のように、保持力比はΔθ０の増大により小さくなる。例として、ω２＝１０°及びω３＝９０°の非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群を備えた毛細管では、固有ヒステリシスがΔθ０＝１０°の場合、保持力比はｆ３／ｆ２＝３．８５である。Δθ０が３０°に増大した場合、ｆ３／ｆ２は２．２９に下がる。
【００５３】
上記の関係を実際に用いて、表面の保持力の絶対値を測ってもよい。例えば、内側表面が滑らかで半径がＲ＝１ｍｍのＰＴＦＥの水平管の中の水のスラグが、前進接触角θａ，０＝１０８°及び固有ヒステリシスΔθ０＝１０°を呈示する。図１３Ａに示したフィーチャ群のない管の中では、スラグの移動を妨げる保持力がｆ０＝７７μＮになる。従って、水のスラグの初期移動はどの方向へ向かうにも外力＞７７μＮを必要とする。界面張力の低い流体‐液体の組み合わせを使うと、保持力は小さくなる。
【００５４】
図１３Ｃに示すとおりＰＴＦＥ管の内表面にω２＝１０°及びω３＝９０°の非対称ののこぎりの歯のフィーチャ群を導入することにより、Δｆ＝６７２μＮとなる。もちろん、どちらの方向にスラグを動かす外力も滑らかな管の値より大きくてｆ２＝２２８μＮ及びｆ３＝９００μＮであることに留意することが重要である。図１３（Ｃ）では、右に向かう保持力ｆ２のほうが小さいので、スラグはたやすく左に動く。管が十分に小さく作られている場合、運動を起動する圧力差は相対的に大きい。前述のＰＴＦＥ管（θａ，０＝１０８°、Δθ０＝１０°、ω２＝１０°、ω３＝９０°）については、管の直径を２０μｍに縮小した場合、水のスラグを一方向に動かすときと他の方向に動かすときとの圧力差は約２０ｋＰａである。よって、このタイプの構築は、マイクロ流体デバイスの弁やゲートなどで有用である。
【００５５】
フィーチャのサイズは、静的なスラグについては比較的些細なことと予期される。小さいフィーチャ群が引き起こす偏向した湿潤作用は大きいフィーチャ群と同一となるはずである。しかし、スラグが動き始めると、小さいフィーチャ群は大きいフィーチャ群より有利となる。小さいフィーチャ群は流れを混乱させる可能性が低い。表面フィーチャ群は大きすぎると、乱流を増大させる恐れがあり、その結果、流体抵抗が増大する。よって、異方性の湿潤流体接触面２８が流体の流れを受ける本発明の一部の実施形態では、異方性の湿潤流体接触面２８を形成する凹凸の平均サイズは一般に５００μｍ未満であり、他の実施形態では一般に１０μｍ未満であり、更に他の実施形態では１００ｎｍ未満である。
【００５６】
ここでの分析は断面が円形の毛細管に照準をあてているが、非円形の管及び付着滴にも適用される。式（１）はプレファクタｋのみ異なる。更に、当業者には当然のことながら、流れの開始の際には、液体の粘度や慣性や垂直の移動から生じる力などの、付加的な力を考える必要がある。
【００５７】
図２０は、外力Ｆｉの影響を受けている静止した付着滴１８０の側面図である。外力は滴１８０の形状を歪ませ、これによって形状を前方に「傾ける（ｌｅａｎ）」。図示のように、滴１８０が臨界状態に達し、保持力と外力とが等しく、ｆｉ＝Ｆｉである。この臨
界構成では、前縁での滴の接触角が前進値θａを呈示し、後縁では後退値θｒを呈示する。Ｆｉがわずかでも増大すると、滴１８０は動き始める。細管の液体スラグに関連する保持力を記述する一般式は、付着滴に関連する保持力も以下のように記述する。
【００５８】
ｆｉ＝ｋγＲ（cos θr −cos θa ） （１）
この場合は、２Ｒは滴の幅であり、プレファクタｋは接触線の形状に依存する。付着滴の接触線が円形の場合は、以下のようになる。
【００５９】
ｋ≒１．５ （２２）
滴が外力の為に伸びると、ｋは増大する。
直径の小さい毛細管中の液体スラグの運動を起動するには、接触線で作動する界面張力に関連する保持力を克服する為に最小の外力を印加する必要がある。保持力の大きさは流体‐液体間の界面張力及び表面粗さと共に増大する。表面粗さが対称なフィーチャ群から成る場合、初期移動に対する抵抗の増大が、細管の軸に沿う両方向で等しく働き、濡れは等方性となる。フィーチャ群が非対称の場合、保持力は一方向で少なく、濡れは異方性となる。表面フィーチャ群の非対称が大きいと、２つの相対する方向への保持力の相違が大きくなる。表面フィーチャ群の適切な設計によって、保持力の差Δｆを５倍よりも大きくできる。固有の接触角ヒステリシスが最小になる液体‐固体の組み合わせによって、大幅に調整がなされると予想される。
【００６０】
一般に、流体取扱装置を作る為の基板材料は、非対称のマイクロスケール又はナノスケールの凹凸群を適切に形成できる一般に疎液性又は超忌避性の材料である。凹凸群を基板材料そのものに直接形成してもよいし、基板材料に蒸着した他の材料の１層以上にフォトリソグラフィ又は多様な好適な方法のいずれかによって形成してもよい。本発明に係るマイクロスケールの凹凸を、既知の成形法及びスタンピング法を用い、プロセスで用いる型やスタンプの工具などをテクスチャ加工することにより形成してよい。プロセスには、射出成形、テクスチャ加工済みのカレンダーロールによる押し出し、圧縮成形工具に加え、マイクロスケールの凹凸の形成に適している他の既知の工具又は方法などがある。
【００６１】
所望の形状と間隔のスケールの小さい凹凸の形成に適した他の方法には、米国特許出願公開第２００２／００３３４８７９号に開示されているようなナノマシニングや、米国特許第５，７２５，７８８号に開示されているようなマイクロスタンピングや、米国特許第５，９００，１６０号に開示されているようなマイクロコンタクトプリンティングや、米国特許第５，６０９，９０７号に開示されているような自己組織化金属コロイド単分子膜や、米国特許第６，４４４，２５４号に開示されているようなマイクロスタンピングや、米国特許第５，２５２，８３５号に開示されているような原子間力顕微鏡ナノマシニングや、米国特許第６，４０３，３８８号に開示されているようなナノマシニングや、米国特許第６，５３０，５５４号に開示されているようなゾル‐ゲル成形や、米国特許第６，５１８，１６８号に開示されているような自己組織化単分子膜向けの表面パターニングや、米国特許第６，５４１，３８９号に開示されているような化学エッチングや、米国特許出願公開第２００３／００４７８２２号に開示されているようなゾル‐ゲルスタンピングなどがあり、上記の出願及び特許すべてがこれによって完全に参照により本願に組み込まれる。所望の凹凸のジオメトリを形成する為に、カーボンナノチューブ構造を使用することもできる。カーボンナノチューブ構造の例は、米国特許出願公開第２００２／００９８１３５号及び第２００２／０１３６６８３号に開示されており、これらもやはりこれによって完全に参照により本願に組み込まれる。更に、好適な凹凸の構造を、コロイド状のインクによるプリンティングという既知の方法を用いて形成してよい。もちろん、当然のことながら、マイクロスケール／ナノスケールの凹凸群を正確に形成できる他の方法を用いてもよい。マイクロスケール又はナノスケールの凹凸群の形成に適したフォトリソグラフィ法が、ＰＣＴ特許出願公報第０２／０８４３４０号に開示されており、この出願も、これ
によって完全に参照により本願に組み込まれる。
【００６２】
本発明の異方性の湿潤面が無数の応用で有用だということが予期される。例えば、異方性の湿潤面が、配管、管類、継手、弁、他の装置などの、流体取扱システムの濡れる部分に張りつけられている場合、流体の摩擦及び乱流が大幅に低減されるということが予期される。乾燥時間が短くなり乾燥後に表面に残る繰り越しの化学残留物が少なくなることで、臨界的な洗浄プロセスの有効性が改善される。本発明に係る異方性の湿潤面が、表面のバイオフィルムでの有機体の成長に耐性を示すことも予期され、これは、１つには、大幅に改善された表面の指向性の排水性のおかげである。
【００６３】
異方性の湿潤面の原理を、同様に超忌避性の表面に適用することもできる。極端な忌避性の湿潤面が、以下の米国特許及び米国特許出願に記載されている。米国特許出願第１０／８２４，３４０号、米国特許出願第１０／８３７，２４１号、米国特許出願第１０／４５４，７４３号、米国特許出願第１０／４５４，７４０号、米国特許第６，８４５，７８８号。上記の出願及び特許は参照により全体が本願に組み込まれる。上記の出願及び特許の開示を本出願と共に利用して、異方性の濡れと超忌避性の特性との両方を実際に示す表面を設計することができる。
【００６４】
本発明を、本発明の中心の属性から逸脱することなく他の特定の形態で具体化してもよく、よって、図示の実施形態を、あらゆる点で実例となるものと考えるべきであり、限定的なものと考えるべきではなく、本発明の範囲を示す為に、参照するのは前述の説明ではなく添付の請求項である。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明に係る異方性の流体接触面を備えた管類の長さの部分的な縦方向の断面図。
【図２】線２‐２に沿って切断した図１に示した管類の長さの断面図。
【図３】パイプの２つの接合部分を接続している、本発明に係る９０度に湾曲した継手の部分的な縦方向の断面図。
【図４】本発明に係る三方弁の構成要素の断面図。
【図５】本発明に係る二方弁の構成要素の断面図。
【図６】本発明に係る直列の流量計の構成要素の断面図。
【図７】本発明に係る直列の流量計のサイトチューブの断面図。
【図８】本発明に係る異方性の湿潤流体接触面を備えたマイクロ流体デバイスの分解組立図。
【図９】図８の面９‐９に沿って切断した図８のデバイスの断面図。
【図１０】本発明に係るマイクロ流体デバイスの代替の実施形態の図。
【図１１】本発明に係る異方性の流体接触面を備えた燃料電池スタック装置の略断面図。
【図１２】本装置の１つのチャネルを描写している、図１１の燃料電池スタック装置の拡大部分図。
【図１３Ａ】滑らかな壁面を備えた毛細管の断面図。
【図１３Ｂ】対称の凹凸を有する壁面を備えた毛細管の断面図。
【図１３Ｃ】非対称の凹凸を有する壁面を備えた毛細管の断面図。
【図１４】毛細管中の液体スラグが外力の影響を受けている状態の断面図。
【図１５Ａ】表面の凹凸又は表面のフィーチャと相互に作用している液体スラグの接触線が前進している状態の拡大側面図。
【図１５Ｂ】表面の凹凸又は表面のフィーチャと相互に作用している液体スラグの接触線が後退している状態の拡大側面図。
【図１６Ａ】対称で、一般にのこぎり歯形の凹凸を有する毛細管壁の拡大部分断面図。
【図１６Ｂ】非対称で、一般にのこぎり歯形の凹凸を有する毛細管壁の拡大部分断面図。
【図１６Ｃ】非対称で、一般にのこぎり歯形の畝の形の凹凸を備えた異方性の流体接触面の拡大部分斜視図。
【図１６Ｄ】非対称の角錐台の凹凸を備えた異方性の流体接触面の拡大部分斜視図。
【図１６Ｅ】非対称の円錐台の凹凸を備えた異方性の流体接触面の拡大部分斜視図。
【図１７】対応する平滑面に比べ対称なのこぎり歯のフィーチャを備えた表面の保持力の比のグラフ。
【図１８】立ち上がり角度に対する非対称なのこぎり歯のフィーチャを備えた表面の保持力の比のグラフ。
【図１９】立ち上がり角度に対する非対称なのこぎり歯のフィーチャを備えた表面の保持力の比のグラフ。
【図２０】Ｆｉ＝ｆｉという臨界条件での付着液滴の側面図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
異方性の湿潤面部を有した流体取扱装置であって、前記異方性の湿潤面部が、 基板を具備し、前記基板の上に非常に多くの非対称で実質的には均一形状のマイクロスケール又はナノスケールの凹凸が備わっており、各凹凸が前記基板に対して第１の凹凸立ち上がり角度と逆向きの第２の凹凸立ち上がり角度とを画成し、前記維持力比（ｆ３／ｆ２）が次の公式に従い決定されたときに、前記凹凸が１より大きい又は１未満の維持力比（ｆ３／ｆ２）を呈する構造を持っており、
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０）
ω２が単位度の前記第１の凹凸立ち上がり角度であり、ω３が単位度の前記第２の凹凸立ち上がり角度であり、Δθ０＝（θａ，０−θｒ，０）であり、ここでθａ，０が前記面と接触している流体の単位度の真の前進接触角であり、θｒ，０が前記面上の前記流体の単位度の真の後退接触角である、
流体取扱装置。
【請求項２】
前記凹凸群が突出部である、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項３】
前記凹凸群が多面体に形づくられている、請求項２に記載の流体取扱装置。
【請求項４】
前記各凹凸の横断面が一般に正方形である、請求項２に記載の流体取扱装置。
【請求項５】
前記凹凸群の形状が、円筒、楕円柱、円錐、円錐台のどれかである、請求項２に記載の流体取扱装置。
【請求項６】
前記凹凸群が前記基板に形成されたキャビティ群である、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項７】
前記凹凸群が実質的には均一のアレイに位置付けられた、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項８】
前記凹凸群が長方形のアレイに位置付けられた、請求項７に記載の流体取扱装置。
【請求項９】
前記流体取扱装置がマイクロ流体デバイスである、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項１０】
前記流体取扱装置が燃料電池の構成要素である、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項１１】
流体取扱装置の異方性の湿潤面の方法であって、前記方法が、 表面を呈する流体取扱装置を設ける工程と、 非常に多くの実質的には均一形状のマイクロスケール又はナノスケールの凹凸を前記流体取扱装置の前記面に配置して、前記異方性の湿潤面を形成する工程と、前記各凹凸が前記面に対して第１の凹凸立ち上がり角度と第２の凹凸立ち上がり角度を有し、前記維持力比（ｆ３／ｆ２）が次の公式に従い決定されたときに、前記凹凸が１より大きい又は１未満の維持力比（ｆ３／ｆ２）を呈するように前記凹凸群が構造を持ち配置され、
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０）
ω２が単位度の前記第１の凹凸立ち上がり角度であり、ω３が単位度の前記第２の凹凸立ち上がり角度であり、Δθ０＝（θａ，０−θｒ，０）であり、ここでθａ，０が前記面と接触している流体の単位度の真の前進接触角であり、θｒ，０が前記面上の前記流体の単位度の真の後退接触角である、方法。
【請求項１２】
フォトリソグラフィプロセスを用いて前記凹凸群が配置される、請求項１１のプロセス。
【請求項１３】
前記凹凸群が、ナノマシニング、マイクロスタンピング、マイクロコンタクトプリンティング、自己集合性金属コロイド単分子膜、原子間力顕微鏡ナノマシニング、ゾル‐ゲル成形、自己組織化単分子膜向けのパターニング、化学エッチング、ゾル‐ゲルスタンピング、コロイド状のインクによるプリンティング、及び平行なカーボンナノチューブの層の前記基板への配置、から成るグループから選択されたプロセスを用いて配置される、請求項１１のプロセス。
【請求項１４】
異方性の湿潤面を具備した流体取扱装置であって、前記異方性の湿潤面の上に、非常に多くの非対称で実質的には均一形状の凹凸が備わっており、前記各凹凸が前記基板に対して第１の凹凸立ち上がり角度と逆向きの第２の凹凸立ち上がり角度とを画成し、前記維持力比（ｆ３／ｆ２）が次の公式に従い決定されたときに、前記凹凸が１より大きい又は１未満の維持力比（ｆ３／ｆ２）を呈する構造を持っており、
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０）
ω２が単位度の前記第１の凹凸立ち上がり角度であり、ω３が単位度の前記第２の凹凸立ち上がり角度であり、Δθ０＝（θａ，０−θｒ，０）であり、ここでθａ，０が前記面と接触している流体の単位度の真の前進接触角であり、θｒ，０が前記面上の前記流体の単位度の真の後退接触角である、
流体取扱装置。
【請求項１５】
前記流体取扱装置が管状である、請求項１４に記載の流体取扱装置。
【請求項１６】
前記流体取扱装置が弁である、請求項１４に記載の流体取扱装置。
【請求項１７】
前記流体取扱装置がマイクロ流体デバイスである、請求項１４に記載の流体取扱装置。
【請求項１８】
前記流体取扱装置が燃料電池の構成要素である、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項１９】
流体取扱装置を洗浄する方法であって、前記方法が、 異方性の湿潤面を呈する流体取扱装置を設ける工程と、前記異方性の湿潤面が基板を具備しており、前記基板の上に非常に多くの非対称で実質的には均一形状の凹凸が備わっており、前記各凹凸が前記基板に対して第１の凹凸立ち上がり角度と逆向きの第２の凹凸立ち上がり角度とを画成し、前記維持力比（ｆ３／ｆ２）が次の公式に従い決定されたときに、前記凹凸が１より大きい又は１未満の維持力比（ｆ３／ｆ２）を呈する構造を持っており、
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０）
ω２が単位度の前記第１の凹凸立ち上がり角度であり、ω３が単位度の前記第２の凹凸立ち上がり角度であり、Δθ０＝（θａ，０−θｒ，０）であり、ここでθａ，０が前記異方性の湿潤面と接触している流体の単位度の真の前進接触角であり、θｒ，０が前記異方性の湿潤面上の前記流体の単位度の真の後退接触角であり、 前記異方性の湿潤面と前記流体を接触させる工程を含む、方法。
【請求項２０】
前記異方性の湿潤面上で前記流体を動かす為に前記流体取扱装置又は前記流体に力を与える工程を更に含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項１】
異方性の湿潤面部を有した流体取扱装置であって、前記異方性の湿潤面部が、 基板を具備し、前記基板の上に非常に多くの非対称で実質的には均一形状のマイクロスケール又はナノスケールの凹凸が備わっており、各凹凸が前記基板に対して第１の凹凸立ち上がり角度と逆向きの第２の凹凸立ち上がり角度とを画成し、前記維持力比（ｆ３／ｆ２）が次の公式に従い決定されたときに、前記凹凸が１より大きい又は１未満の維持力比（ｆ３／ｆ２）を呈する構造を持っており、
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０）
ω２が単位度の前記第１の凹凸立ち上がり角度であり、ω３が単位度の前記第２の凹凸立ち上がり角度であり、Δθ０＝（θａ，０−θｒ，０）であり、ここでθａ，０が前記面と接触している流体の単位度の真の前進接触角であり、θｒ，０が前記面上の前記流体の単位度の真の後退接触角である、
流体取扱装置。
【請求項２】
前記凹凸群が突出部である、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項３】
前記凹凸群が多面体に形づくられている、請求項２に記載の流体取扱装置。
【請求項４】
前記各凹凸の横断面が一般に正方形である、請求項２に記載の流体取扱装置。
【請求項５】
前記凹凸群の形状が、円筒、楕円柱、円錐、円錐台のどれかである、請求項２に記載の流体取扱装置。
【請求項６】
前記凹凸群が前記基板に形成されたキャビティ群である、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項７】
前記凹凸群が実質的には均一のアレイに位置付けられた、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項８】
前記凹凸群が長方形のアレイに位置付けられた、請求項７に記載の流体取扱装置。
【請求項９】
前記流体取扱装置がマイクロ流体デバイスである、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項１０】
前記流体取扱装置が燃料電池の構成要素である、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項１１】
流体取扱装置の異方性の湿潤面の方法であって、前記方法が、 表面を呈する流体取扱装置を設ける工程と、 非常に多くの実質的には均一形状のマイクロスケール又はナノスケールの凹凸を前記流体取扱装置の前記面に配置して、前記異方性の湿潤面を形成する工程と、前記各凹凸が前記面に対して第１の凹凸立ち上がり角度と第２の凹凸立ち上がり角度を有し、前記維持力比（ｆ３／ｆ２）が次の公式に従い決定されたときに、前記凹凸が１より大きい又は１未満の維持力比（ｆ３／ｆ２）を呈するように前記凹凸群が構造を持ち配置され、
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０）
ω２が単位度の前記第１の凹凸立ち上がり角度であり、ω３が単位度の前記第２の凹凸立ち上がり角度であり、Δθ０＝（θａ，０−θｒ，０）であり、ここでθａ，０が前記面と接触している流体の単位度の真の前進接触角であり、θｒ，０が前記面上の前記流体の単位度の真の後退接触角である、方法。
【請求項１２】
フォトリソグラフィプロセスを用いて前記凹凸群が配置される、請求項１１のプロセス。
【請求項１３】
前記凹凸群が、ナノマシニング、マイクロスタンピング、マイクロコンタクトプリンティング、自己集合性金属コロイド単分子膜、原子間力顕微鏡ナノマシニング、ゾル‐ゲル成形、自己組織化単分子膜向けのパターニング、化学エッチング、ゾル‐ゲルスタンピング、コロイド状のインクによるプリンティング、及び平行なカーボンナノチューブの層の前記基板への配置、から成るグループから選択されたプロセスを用いて配置される、請求項１１のプロセス。
【請求項１４】
異方性の湿潤面を具備した流体取扱装置であって、前記異方性の湿潤面の上に、非常に多くの非対称で実質的には均一形状の凹凸が備わっており、前記各凹凸が前記基板に対して第１の凹凸立ち上がり角度と逆向きの第２の凹凸立ち上がり角度とを画成し、前記維持力比（ｆ３／ｆ２）が次の公式に従い決定されたときに、前記凹凸が１より大きい又は１未満の維持力比（ｆ３／ｆ２）を呈する構造を持っており、
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０）
ω２が単位度の前記第１の凹凸立ち上がり角度であり、ω３が単位度の前記第２の凹凸立ち上がり角度であり、Δθ０＝（θａ，０−θｒ，０）であり、ここでθａ，０が前記面と接触している流体の単位度の真の前進接触角であり、θｒ，０が前記面上の前記流体の単位度の真の後退接触角である、
流体取扱装置。
【請求項１５】
前記流体取扱装置が管状である、請求項１４に記載の流体取扱装置。
【請求項１６】
前記流体取扱装置が弁である、請求項１４に記載の流体取扱装置。
【請求項１７】
前記流体取扱装置がマイクロ流体デバイスである、請求項１４に記載の流体取扱装置。
【請求項１８】
前記流体取扱装置が燃料電池の構成要素である、請求項１に記載の流体取扱装置。
【請求項１９】
流体取扱装置を洗浄する方法であって、前記方法が、 異方性の湿潤面を呈する流体取扱装置を設ける工程と、前記異方性の湿潤面が基板を具備しており、前記基板の上に非常に多くの非対称で実質的には均一形状の凹凸が備わっており、前記各凹凸が前記基板に対して第１の凹凸立ち上がり角度と逆向きの第２の凹凸立ち上がり角度とを画成し、前記維持力比（ｆ３／ｆ２）が次の公式に従い決定されたときに、前記凹凸が１より大きい又は１未満の維持力比（ｆ３／ｆ２）を呈する構造を持っており、
ｆ３／ｆ２＝sin （ω３＋1/2 Δθ０）／sin （ω２＋1/2 Δθ０）
ω２が単位度の前記第１の凹凸立ち上がり角度であり、ω３が単位度の前記第２の凹凸立ち上がり角度であり、Δθ０＝（θａ，０−θｒ，０）であり、ここでθａ，０が前記異方性の湿潤面と接触している流体の単位度の真の前進接触角であり、θｒ，０が前記異方性の湿潤面上の前記流体の単位度の真の後退接触角であり、 前記異方性の湿潤面と前記流体を接触させる工程を含む、方法。
【請求項２０】
前記異方性の湿潤面上で前記流体を動かす為に前記流体取扱装置又は前記流体に力を与える工程を更に含む、請求項１９に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１３ｃ】
【図１４】
【図１５ａ】
【図１５ｂ】
【図１６ａ】
【図１６ｂ】
【図１６ｃ】
【図１６ｄ】
【図１６ｅ】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１３ｃ】
【図１４】
【図１５ａ】
【図１５ｂ】
【図１６ａ】
【図１６ｂ】
【図１６ｃ】
【図１６ｄ】
【図１６ｅ】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【公表番号】特表２００９−５０９１０４（Ｐ２００９−５０９１０４Ａ）
【公表日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３１３７０（Ｐ２００８−５３１３７０）
【出願日】平成１８年９月１５日（２００６．９．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３６０８１
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３５５１１
【国際公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（５０５３０７４７１）インテグリス・インコーポレーテッド (124)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年３月５日（２００９．３．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年９月１５日（２００６．９．１５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０３６０８１
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０３５５１１
【国際公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【出願人】（５０５３０７４７１）インテグリス・インコーポレーテッド (124)
【Ｆターム（参考）】
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