(57)【要約】  マイクロ反応デバイスまたは装置（４）は、少なくとも１つの熱制御流体通路（Ｃ，Ｅ）および０．２５から１００ｍｍ2の範囲の平均断面積を持ち主要入口（９２）と多数の副入口（９４）を有する主要作用流体通路（Ａ）を備え、副入口（９４）の間の間隔が、通路（Ａ）の平均断面積の平方根の少なくとも２倍の、通路（Ａ）に沿った長さを有している。デバイスまたは装置（４）は、入口（１０２）および最後の出口（１０６）を含む多数の出口（１０６）を有する少なくとも１つの副作用流体通路（Ｂ）も備え、各出口（１０６）は、主要流体通路（Ａ）の多数の副入口（９４）の対応する１つと流体連絡している。【選択図】図１
2009536570.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一のマイクロ反応デバイスにおいて、
少なくとも１つの熱制御流体通路、
０．２５から１００ｍｍ2の範囲の平均断面積を持つ主要作用流体通路であって、前記デバイスの外部と第１の端部で通じている主要入口、および長手方向に沿って間隔の空いた位置で直列して配置された多数の副入口を有し、該副入口の間の間隔が、前記主要流体通路の平均断面積の平方根の少なくとも２倍の、該主要流体通路に沿った長さを有している主要流体通路、および
０．２５から１００ｍｍ2の範囲の平均断面積を持つ少なくとも１つの副作用流体通路であって、第１の端部にある入口および長手方向に沿って間隔の空いた位置で直列して配置された多数の出口を有し、該多数の出口がその端部での最終出口を含み、各出口が、前記主要流体通路の多数の副入口の内の対応するものと流体連絡しており、そのような対応が、前記主要および副流体通路のそれぞれの第１の端部に最も近い出口と入口から、最も遠い出口と入口まで順番に確立されている副流体通路、
を備えたデバイス。
【請求項２】
前記多数の出口の内の連続した出口の間の前記副流体通路に沿った距離が、該副流体通路の入口から離れる方向に、連続した各出口から次の出口へと増加していることを特徴とする請求項１記載のデバイス。
【請求項３】
前記副流体通路の断面積が、その前記入口から離れる方向に全般的に減少することを特徴とする請求項１または２記載のデバイス。
【請求項４】
前記主要流体通路が、該主要流体通路の第１の端部から離れる方向に、前記多数の副入口の内の各々の間で、最初に混合区画を、次に滞留時間区画を備えていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のデバイス。
【請求項５】
前記混合区画が、より狭くより蛇行した区画を含み、前記滞留時間区画が、より広くそれそほど蛇行していない区画を含むことを特徴とする請求項４記載のデバイス。
【請求項６】
少なくとも２つの単一片を備えたマイクロ反応装置において、
第１の片であって、
少なくとも１つの熱制御流体通路、および
０．２５から１００ｍｍ2の範囲の平均断面積を持つ主要作用流体通路であって、前記第１の片の外部と第１の端部で通じている主要入口、および前記第１の片の外部と通じている、長手方向に沿って間隔の空いた位置で直列して配置された少なくとも１組の多数の副入口を有し、該副入口の間の間隔が、前記主要流体通路の平均断面積の平方根の少なくとも２倍の、該主要流体通路に沿った長さを有している主要流体通路、
を備えた第１の片と、
第２の片であって、
０．２５から１００ｍｍ2の範囲の平均断面積を持つ少なくとも１つの副作用流体通路であって、前記第２の片の外部と第１の端部で通じている入口、および該第２の片の外部に通じた長手方向に沿って間隔の空いた位置で直列して配置された多数の出口を有し、該多数の出口がその端部での最終出口を含み、前記第２の片内の副流体通路の出口の相対的位置決めと間隔が、前記第１の片の主要流体通路の出口の相対的位置決めと間隔に適合されており、よって、それぞれの各出口が、それぞれの入口と直接の流体接続のために整合されている副流体通路、
を備えた第２の片と、
を含む装置。
【請求項７】
前記多数の出口の内の連続した出口の間の前記副流体通路に沿った距離が、該副流体通路の入口から離れる方向に、連続した各出口から次の出口へと増加していることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記副流体通路の断面積が、その前記入口から離れる方向に全般的に減少することを特徴とする請求項６または７記載の装置。
【請求項９】
前記主要流体通路が、該主要流体通路の第１の端部から離れる方向に、前記多数の副入口の内の各々の間で、最初に混合区画を、次に滞留時間区画を備えていることを特徴とする請求項６から８いずれか１項記載の装置。
【請求項１０】
前記混合区画が、より狭くより蛇行した区画を含み、前記滞留時間区画が、より広くそれそほど蛇行していない区画を含むことを特徴とする請求項９記載の装置。
【請求項１１】
各々が流体連結器により前記第１の片に選択的に連結された１つ以上の追加の第２の片をさらに備え、該追加の第２の片の内の少なくともいくつかの副流体通路が、１つ以上の物理的パラメータにおいて前記第２の片とは異なることを特徴とする請求項６から１０いずれか１項記載の装置。
【請求項１２】
前記追加の第２の片の内の少なくともいくつかが、前記副流体通路の全長が異なることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記追加の第２の片の内の少なくともいくつかが、前記副流体通路の平均断面積が異なることを特徴とする請求項１１または１２記載の装置。
【請求項１４】
前記追加の第２の片の内の少なくともいくつかが、前記副流体通路の高さが異なることを特徴とする請求項１１または１２記載の装置。
【請求項１５】
マイクロ反応デバイスにおいて、
少なくとも１つの熱制御流体通路、および
０．２５から１００ｍｍ2の範囲の平均断面積を持つ主要作用流体通路であって、前記デバイスの外部と第１の端部で通じている主要入口、および前記デバイスの外部と通じている、長手方向に沿って間隔の空いた位置で直列して配置された少なくとも１組の多数の副入口を有し、該副入口の間の間隔が、前記主要流体通路の平均断面積の平方根の少なくとも２倍の、該主要流体通路に沿った長さを有し、前記主要流体通路が、該主要流体通路の第１の端部から離れる方向に、前記多数の副入口の各々の間で順番に、最初に混合区画を、次に滞留時間区画を含む主要流体通路、
を備えたデバイス。
【請求項１６】
前記混合区画が、より狭くより蛇行した区画を含み、前記滞留時間区画が、より広くそれそほど蛇行していない区画を含むことを特徴とする請求項１５記載のデバイス。
【請求項１７】
前記より狭くより蛇行した区画の各々が、前記通路内に湾曲部または屈曲部を含み、該湾曲部または屈曲部が１つより多くの面内にあることを特徴とする請求項１６記載のデバイス。
【請求項１８】
０．２５から１００ｍｍ2の範囲の平均断面積を持つ少なくとも１つの作用流体通路を備えたマイクロ流体マニホールドデバイスであって、前記作用流体通路が、第１の端部にある前記デバイスとの外部と通じた入口、前記デバイスの外部と通じた、その長手方向に沿って間隔の空いた位置で直列に配置された合計で少なくとも３つの多数の出口を有し、該多数の出口がその端部にある最後の出口を含み、前記作用流体通路が、ある出口から次の出口まで、長さ、断面積、流動制限体の数および流動制限体のサイズの内の１つ以上が異なり、よって、所定の流量と粘度で正規化された圧力降下が、第１と第２の出口の間よりも、第２と第３の出口の間のほうが大きくなっていることを特徴とするデバイス。
【請求項１９】
前記多数の出口の数が、合計で３より多いことを特徴とする請求項１８記載のデバイス。
【請求項２０】
所定の流量と粘度で正規化された前記圧力降下が、前記入口から離れる方向において、出口の連続した各対の間で増加することを特徴とする請求項１９記載のデバイス。
【請求項２１】
前記作用流体通路が、長さが異なることを特徴とする請求項１８から２０いずれか１項記載のデバイス。
【請求項２２】
前記作用流体通路が、長さが異なるが、断面積では著しいほど異ならないことを特徴とする請求項１８から２１いずれか１項記載のデバイス。
【請求項２３】
温度制御流体通路をさらに備えることを特徴とする請求項１８から２２いずれか１項記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【優先権】
【０００１】
本出願は、「高処理量の熱強化マイクロリアクタデバイスおよび方法」と題する、２００６年５月１１日に出願された欧州特許出願第０６３００４５５０．３号の優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、広く、マイクロリアクタ並びにマイクロ流体デバイスおよび装置、一般に、数ミリメートル以下辺りの特徴的な寸法を少なくとも１つ有するデバイスに関し、特に、高処理量の熱強化マイクロリアクタデバイスおよびマイクロ流体デバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
マイクロ反応技術に関して、現在、化学研究作業および化学処理と生産の両方における利点を提供するために、小さなチャンネル内で可能な高い表面積対体積比（典型的なバッチ式リアクタよりも１桁以上大きい）を利用することに焦点の１つが当てられている。
【０００４】
表面積対体積比が非常に高いデバイスには、小さな体積内で高い伝熱率と物質移動速度を提供する能力がある。よく認識された潜在的な利点としては、（１）より高い収率と純度による、より高い生産性と効率、（２）劇的に減少したプロセス体積による改善された安全性、（３）そうしなければ到達できなかった、新たなプロセス、新たな反応、または新たな反応方式への到達が挙げられ、転じて、これらにより、さらに高い収率、純度、または他の利益が得られるであろう。
【０００５】
しかしながら、高処理量かつ高収率で性能が十分に制御された高速発熱または高速吸熱反応、特に、とりわけ温度感受性の反応を成し遂げるためのマイクロ反応デバイスおよびプロセスを提供する上で、課題が存在する。高速発熱または高速吸熱反応は、反応温度を著しく変えてしまうのに十分な熱を急速に生成または吸収することができる。所望の反応が特に温度感受性である場合にも、反応により生成または吸収される熱により、一般に、望ましくないまたは未制御の反応を生じさせる不十分な反応制御のために、収率が乏しいまたはさらにはゼロになってしまう。
【０００６】
マイクロ反応環境において局所的なモル比を所望のレベル以下に維持することにも、課題がある。多くの反応は、任意の過剰な１つの反応体に対して感度が高いので、この１つの反応体が、その反応に所望のモル比を超えて局所に蓄積すると、望ましくない副反応またはその後の反応が生じ、収率が損なわれることがある。
【０００７】
温度感受性の高速吸熱または高速発熱反応向きのマイクロ反応デバイスには、一般に、チャンネル内で非常に高い表面積対体積比を達成するように、１００μｍ台またはさらにはそれ未満などの、小さな（他のマイクロ反応デバイスに対してさえ）寸法のチャンネルが設けられる。表面積対体積比が高いと、熱輸送が速くなり、一般に、より大きな寸法のデバイスと比較して反応制御および収率が改善される。しかし、チャンネルの寸法を減少させると、特に圧力降下を適度なレベルに維持しなければならない場合、一般に、処理量も減少してしまう。
【０００８】
マイクロ反応デバイスにおける減少した処理量へのこの傾向を補うまたは埋め合わせる手段として、「外部集積化(numbering up)」または「内部集積化」もしくはその両方が用いられる。外部集積化は、多数の別個のマイクロ反応デバイスを、これらのデバイスに流体を分配するための外部流体分配器具と共に、並列に配置することを含む。内部集積化は、所定のマイクロ反応デバイス内に、多数の混合チャンバおよび／または反応チャンバを並列に設けることを含む。しかしながら、いずれの場合にも、流動のバランスをとることが厳しくなり、流動のわずかな変動でさえも、局所的にバランスの崩れたモル比を生じることによって、反応制御が不十分になり得る。
【０００９】
集積化は高くつくこともある。外部集積化には外部調節制御装置が必要であり、この装置は非常に高くつき得る。内部集積化の場合であり、かつ受動的外部流動分割の場合には、流体チャンネルを注意深く設計し、製造制御を厳密にした後でさえも、典型的なデバイスにおいて、十分に良好な流動バランスを達成することは難しい。デバイスの寿命の間に化学的または機械的な浸食がわずかに生じても、流動バランスが変わり、その結果、モル比が変わって、性能がさらに低下してしまう。それゆえ、デバイスの寿命は、集積化されていないデバイスと比較して、または集積化を行わずに高処理量を達成できるデバイスと比較して、短命であり、費用が増加し得る。さらに、ある反応または反応体装置のために良好な流動バランスを生じるように設計された能動的流動分割器は、別の反応または反応体にはうまく働かないかもしれない。それゆえ、内部集積化では、所定のデバイスの用途範囲が狭くなり、所定の範囲の反応パラメータに対処するためにデバイスのタイプまたは設計の数を増加させる必要が生じ、それに関連する費用が増加し得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
それゆえ、高速発熱または高速吸熱反応の高処理量かつ高収率の十分に制御された性能を経済的に確実に達成するために、および／または局所的モル比を高度に制御するために、特に十分に適したマイクロ反応デバイスおよび方法が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のある態様によれば、マイクロ反応デバイスは、熱制御または熱緩衝流体のための流体通路を少なくとも１つ有し、１つの主要入口および多数の副入口を持つ主要作用流体通路を有する。この主要流体通路の断面積は、一般に０．２５から１００ｍｍ2の範囲、望ましくは０．３から２０ｍｍ2の範囲内、より望ましくは０．５から６ｍｍ2の範囲内にある。副入口間の主要流体通路に沿った空間の長さは、この通路の平均断面積の平方根(root)の少なくとも２倍であることが好ましく、よって、主要流体通路内を流動する流体は、所定の副入口に進入する任意の流体と、次の副入口に到達する前に、混ざるまたは混ざり始めるおよび／または反応するまたは反応し始める、無視できない時間と空間を有する。
【００１２】
このデバイスは、０．２５から１００ｍｍ2の範囲内、望ましくは０．３から２０ｍｍ2の範囲内、より望ましくは０．５から６ｍｍ2の範囲内の平均断面積を有することが望ましい副作用流体通路を少なくとも１つ有する。副流体通路は、１つの入口および最終出口を含む多数の出口を有する。各出口は、主要流体通路の多数の副入口の内の対応する１つと流体連絡しており、出口と副入口は、２つの通路の入口に最も近いものから、その入口から最も遠いものへと順番に対になっている。それゆえ、副流体通路中に連続的に流れ込む流体は、主要流体通路中に連続的に流れ込む流体中に効果的に徐々に添加される。
【００１３】
主要流体通路は、各副入口の間で順番に、混合区画および滞留時間区画を含むことが望ましい。混合区画は、主要流体通路のより狭くより蛇行した区画を備えることが望ましい。滞留時間区画は、主要流体通路のより広くそれほど蛇行していない区画を備えることが望ましい。より狭くより蛇行した区画は、ある程度の圧力降下を犠牲にして、所望の混合効果を提供し、一方で、より広くそれほど蛇行していない区画は、極最小の圧力降下で、所望の滞留時間を提供し、この間に、反応、熱交換、または他のプロセスが行われる、または行われ続ける。より狭くより蛇行した区画は、流体通路内の湾曲部または屈曲部からなることが望ましく、これらの湾曲部または屈曲部は複数の平面に及んでいる。この三次元の蛇行タイプの蛇行通路は、湾曲部または屈曲部の全てが１つの面内にある蛇行通路と比較して、混合を助けるタイプの副流動をより効率的に生成することにより、混合を改善する。より狭くより蛇行した区画の各々およびより広くそれほど蛇行していない区画の各々は、熱制御流体通路を持つ、少なくとも１つ、望ましくは少なくとも２つの共通壁を共有し、よって、熱制御または熱交換が、より狭くより蛇行した区画の各々およびより広くそれほど蛇行していない区画の各々に与えられる。
【００１４】
副流体通路に沿った方向にある出口の空間は、副流体通路の平均断面積の平方根の少なくとも８倍の長さを有することが望ましい。長さ寸法の断面寸法に対するそのような比較的高い比のために、副流体通路内で所望の量の圧力降下が確実に提供される。副通路からの出口間の副通路に沿った距離は、入口から離れる方向に、ある出口から次の出口へと増加することが望ましい。これにより、流体が連続した多数の出口を通って流れ去るにつれて流動が減少するにもかかわらず、副流体通路内に適切な追加の圧力降下を生成することができる。あるいは、またはそれに加え、副流体通路の断面積は、一般に、適切な圧力降下を提供するように、入口から離れる方向に減少してもよい。
【００１５】
主要流体通路と副流体通路との間の適切な圧力降下または圧力適合を提供するさらなる追加のまたは代わりの手段として、主要流体通路の連続したより蛇行した区画は、主要流体通路の入口から離れる方向に平均断面積が増加するか、またはより蛇行した区画の各々の内部に設けられてていよい障害物が、１つのより蛇行した区画から次のものへとサイズが減少する。これらの様々な圧力降下生成または圧力降下維持特徴構造は、第１の流量で主要流体通路に進入する第１の作用流体および第２の流量で副流体通路に進入する第２の作用流体が、主要流体通路内でのみ実質的に混ざり、一般には副流体通路内では混ざらないという点で、主要および副流体通路が互いに対してバランスが取られるように利用されることが望ましい。
【００１６】
本発明のある代わりに実施の形態によれば、連続したより蛇行した区画は、所望であれば、圧力以外の理由のために互いに必要に応じて変わっていてもよい。より蛇行した区画の設計および／または長さを変えることにより、そのような各区画での混合効率が所望のように変えられる。圧力のバランスも、副流体通路の補間設計により再び最適化される。
【００１７】
本発明のある実施の形態によれば、主要流体通路、１つ以上の副流体通路、および熱制御流体のための少なくとも１つの通路の全てが、１つの単一本体内に収容される。この単一本体は、ガラスまたはガラスセラミックからなることが望ましいが、セラミック、金属、およびプラスチックなどの他の材料から有用に形成されてもよい。
【００１８】
代わりの実施の形態において、主要流体通路および熱制御流体のための少なくとも１つの通路は第１の単一本体内に収容され、第２の流体通路は第２の単一本体内に収容され、第２の流体通路からの出口は、１つの多通路または多数の個別の流体連結を介して、主要流体通路の第２の入口に連結されている。この実施の形態において、第２の単一本体は、熱制御流体のための第２のまたは追加の通路を収容していてもよく、この通路は、第１の単一本体内の熱制御流体のための少なくとも１つの通路とは別に供給または制御されてもよい。
【００１９】
この結果得られるデバイスは、既存のまたは先に提案されたマイクロ流体デバイスよりも、より経済的に、より大きな熱制御およびより高い処理量を達成する。上に手短に記載したデバイスおよび方法の特徴の結果として、そのデバイスで行われる反応または混合プロセスは、典型的な集積化デバイスに関するような、非常に小さな断面積の通路内で大量に並行様式で行われるよりもむしろ、主要流体通路に沿って直列に延びる。通路サイズを減少させず、それに関連して、低い処理量を克服するために並行化の必要なく、より厳しい熱制御が達成される。集積化の必要性が少なくなるので、外部集積化のための精密ポンプの費用が最小になり、内部集積化において一般に生じる不十分に制御された流体のバランスの虞と費用が避けられる。
【００２０】
熱制御も、並列集積化を用いた（または１つの単一本体ミキサを用いた）マイクロ反応デバイスと比較して向上する。何故ならば、本発明の直列構成により、必然的に、最も微細に分割された並列反応設計さえよりも、断熱温度上昇（または減少）が小さくなるからである。これは、本発明のタイプのデバイスにおけるミキサの内の所定の１つでの反応により生成される（または消費される）エネルギーが、並列に集積化された反応器または一体反応器内におけるよりもたくさんの流体に亘り及ぶからであり、それは、主要通路反応体流の全体が全ての反応点に存在するからである。例えば、主要および副通路内の流動と熱質量流動が等しく、副通路の４つの出口から流出する流れが等しく分割されると仮定すると、本発明のデバイス内の第１の合流点または第１のミキサ位置（全質量流動が最小のところ）での基線の断熱温度変化が、等しく分割された並列ミキサ構造の断熱温度変化のたった２／５である。全熱質量流動が、副通路におけるよりも主要通路におけるほうが大きい場合、本発明の利点のみが増加する。例えば、主要通路の副通路に対する熱質量流量の比が２：１である場合、副通路からの４つの出口を有する本発明のデバイスにおける断熱温度変化は、第１の混合または合流点で、並列または一体ミキサのもののたった１／３である。
【００２１】
本発明によれば、別個の流動分布のための流動分割が、１つ以上の副流体通路内のみに用いられ、主要流体通路には用いられない。さらに、副流体通路内の流動分割は、内部（または外部）集積化が行われる従来のマイクロ反応器内におけるのとは異なるタイプのものである。等しい圧力および流量での多くの並列の流体の代わりに、異なる圧力での副流体通路からの連続した直列分割または出口が用いられる。通路に沿ってある出口から次の出口まで変わる、副通路長さなどの通路の特徴を用いて、各連続出口での圧力を低くする。このように誘発された圧力降下は、関連する主要流体通路内の流体の圧力降下に合致し、それゆえ、主要流体通路内の流体がその通路から出ず、混合および／または反応プロセスが、主要流体通路内で実質的に全て行われ、副流体通路内では実質的に行われないことが保証される。
【００２２】
本発明により提供される、ある反応体の別の反応体中への連続直列混合または添加により、類似の処理能力の以前のマイクロ反応器構造よりも、局所的なモル比制御が改善される。副通路反応体が全流動に対して少量で導入されるので、副通路反応体は主要通路反応体中に効果的に添加され、その反応体が局所的に過剰な量で蓄積する可能性が最小になる。
【００２３】
さらに、以前のマイクロ反応デバイスにおける典型的な並列集積化方式とは対照的に、副通路の様々な分割流動間における本発明のデバイスに存在するまたは生じるであろうどのような流動のアンバランスも、性能にとって重要ではない。以前のデバイスの並列性質により、流入する反応体流の両方または全ての流動分割が必要となり、よって、１つの反応体通路内のアンバランスのために、典型的に、直接的にマイクロ反応デバイス内の少なくとも１つの位置で過剰モル比条件が生じてしまう。そのようなアンバランスの１つは、別のものと混ざり、よって、非常に小さなアンバランスも、特により敏感の反応において、非常に大きな影響がでるかもしれない。
【００２４】
本発明において、それとは対照的に、１種類以上の反応体の目的のレベル以下のモル比によりうまく挙動する多数の反応について、うまく挙動する反応に関する適切な条件は、一般に、副流体通路内の任意の流動変動にもかかわらずに、容易に維持できる。主要通路に進入する反応体流をその通路に制限するのに、圧力のバランスが適切である限り、かつ主要入口での流動が所望のモル比またはうまく挙動する側に向かって傾いている限り、副通路から主要通路中への流量のどのようなアンバランスによっても、好ましくない過剰モル比の条件は生じ得ない。その結果は、安定であり、確実であり、再現可能な反応性能である。
【００２５】
本発明の代わりの実施の形態の内の１つによるように、副流体通路が副単一本体内に設けられる場合、本発明のデバイスまたは装置の一部として、多数の代わりの副単一本体を提供してもよい。この多数の代わりの副単一本体の内の少なくともいくつかの副流体通路は、それら副単一本体の内の１つ以上の他のものの副流体通路とは１つ以上の物理的パラメータが異なっていても差し支えなく、よって、１つの副流体通路を別のものに切り換えることによって、幅広い反応体または作用流体タイプおよび流量で維持することができる。これにより、一方では、多数の精密ポンプの費用と、他方では、内部流動分割が１つの反応または反応タイプのみに最適化されるマイクロ反応デバイスの費用が避けられる。代わりに、幅広い反応体または作用流体タイプおよび流量で、直列の流動分割および圧力管理を取り扱うために、単一の内部構成部品がいくつかの互換性のあるタイプで提供できる。しかしながら、様々な動作条件に亘る最高の適応性が要求される場合、もちろん、多数のポンプまたは他の可変の外部制御が、最も望ましくかつ最も経済的な解決策であるかもしれない。
【００２６】
本発明の別の態様は、副本体自体である。この副本体は、０．２５から１００ｍｍ2の範囲の平均断面積を有する少なくとも１つの作用流体通路（他の実施の形態の副作用流体通路に相当する）を含むマニホールドデバイスを形成し、この作用流体通路は、デバイスの外部に通じたその第１の端部に入口を、デバイスの外部に通じたその長さに沿って間隔の空いた位置で直列に配置された、合計で少なくとも３つの多数の出口を有する。多数の出口は、作用通路の端部にある最後の出口を含む。この通路は、所定の固定された流量と粘度で正規化された圧力降下が、第１と第２の出口の間よりも第２と第３の出口の間のほうが大きくなるように、ある出口から次の出口に、長さ、断面積、流動制限体の数、および流動制限体のサイズの内の１つ以上が異なる。
【００２７】
本発明の別の態様において、０．２５から１００ｍｍ2の範囲の平均断面積を有する主要作用流体通路および少なくとも１つの熱制御流体通路を備えたマイクロ反応デバイスが提供される。ここで、主要流体通路は、主要入口と、その長さに沿って間隔の空いた位置で直接に配置された多数の副入口とを有し、主要入口と副入口の両方がデバイスの外部に通じている。副入口の間の間隔は、主要流体通路の平均断面積の平方根の少なくとも２倍の、主要流体通路に沿った長さを有する。主要流体通路は、多数の副入口のそれぞれの間に、順番に、混合区画と滞留時間区画を備えている。混合区画は、主要流体通路のより狭くより蛇行した区画であることが望ましく、滞留時間区画は、より広くそれほど蛇行していない区画であることが望ましい。本発明のこの態様によるデバイスにおいて、このデバイス内には副通路は設けられていない。ここに開示されたような個別のポンプや直列マニホールドなどの流体供給デバイスを、ユーザが随意に利用してもよい。これにより、２種類の反応体を混合するのに直列集積化ミキサを使用する基本方法にバリエーションができる。例えば、合計数未満の副入口が第２の反応体に使用される場合、第２の反応体の供給の間に化学的または熱的クエンチング(quenching)流体などの他の流体の供給、または追加のタイプの反応のための追加の反応体の供給などの、他の目的のために用いてもよい。
【００２８】
本発明のデバイスのさらに別の変形において、主要流体通路中に１組より多くの副入口を設け、よって、２種類の異なる流体流を主要通路に沿った多数の地点で加えてもよい。そのようなデバイスは、それぞれの組の多数の副入口に供給するために１つまたは２つの統合された副流体通路を含んでも含まなくてもよい。
【００２９】
一般に、本発明のデバイスは、同様の熱制御能力を持つマイクロ流体デバイスに対して比較的大きい断面積を維持することによって、付着と目詰まりの傾向が減少する能力を提供する。
【００３０】
本発明の追加の特徴と利点は、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者には容易に明らかであるか、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含むここに記載した本発明を実施することによって、認識されるであろう。
【００３１】
先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方は、本発明の実施の形態を提示し、特許請求の範囲に記載された本発明の性質と特徴を理解するための概要または構成を提供することが意図されているのが理解されよう。添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれ、この明細書に包含され、その一部を構成する。その図面は、本発明の様々な実施の形態を図示しており、説明と共に、本発明の原理および動作を説明するように働く。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明のマイクロ流体デバイスのある実施の形態の断面図
【図２】本発明のマイクロ流体デバイスまたは装置の別の実施の形態の断面図
【図３】本発明のマイクロ流体デバイスの別の実施の形態の断面図
【図４】本発明のある実施の形態に存在するある流体要素の関係を示す概略図
【図５】本発明の他の実施の形態に存在するある流体要素の関係を示す概略図
【図６】本発明のさらに他の実施の形態に存在するある流体要素の関係を示す概略図
【図７】本発明のさらにまた他の実施の形態に存在するある流体要素の関係を示す概略図
【図８】本発明のマイクロ流体デバイスまたは装置のさらに別の実施の形態の断面図
【図９】図２の単一本体６の実施の形態を構成する壁構造または同様の構造の平面図
【図１０】図２の単一本体６の実施の形態を構成する壁構造または同様の構造の平面図
【図１１】図２の単一本体６の実施の形態を構成する壁構造または同様の構造の平面図
【図１２】図２の単一本体６の実施の形態を構成する壁構造または同様の構造の平面図
【図１３】図２の単一本体６の実施の形態を構成する壁構造または同様の構造の平面図
【図１４】図２の第２の単一本体８の実施の形態の一部を形成する壁構造の平面図
【図１５】図２の第２の単一本体８の実施の形態の一部を形成する別の壁構造の平面図
【発明を実施するための形態】
【００３３】
図１は、本発明のマイクロ流体デバイス４のある実施の形態の断面図である。図１の表示は、本発明によるデバイスを具現化するために出願人が使用した現在好ましい製造法をある程度反映し、描いているが、本発明は、そのような方法により製造されたデバイスに制限されない。
【００３４】
これらの方法によれば、マイクロ流体デバイスの壁は、ガラス基板上に成形などによりガラスフリットを造形することによって形成される。そのように形成された構造体は、後に積み重ねられ、一緒に焼結されて、ワンピースすなわち一体のデバイスを形成する。このタイプの製造法の詳細な説明については、例えば、本出願の譲受人に譲渡された米国特許第６７６９４４４号明細書を参照のこと。この方法は、ガラスまたは他の適切な材料の基板１０、２０、３０、４０、５０、および６０が、各々、壁構造１５、２５、３５、４５、５５、および６５の複数の層に結合された図面に反映されている。このデバイスを製造するために、対応する壁構造を対応する基板上に形成し、次いで、その上に構造を有する基板を積み重ね、一緒に焼結して、デバイス４を構成する一体構造６を形成する。２つの壁構造３５および４５は、基板３０および４０の間の空間に位置していることに留意されたい。それゆえ、図１の実施の形態のデバイスは、６枚の基板およびその上に最初に形成された６つの壁構造を備え、壁構造３５および４５は、最終的なデバイスにおいては、互いに接して配置され、一緒に焼結されている。
【００３５】
図１において、壁構造が、黒い矢印９０により示される主要流体通路Ａから白い矢印８０により示される熱制御流体通路Ｃを分割する壁７０などの図の面内に示された１つ以上の流体通路を分割する壁や、壁７５などのデバイスの外縁を画成する壁を表すように断面で（斜線により）表されている。壁１１０などの陰影で表された壁構造は、背景にあり、少なくとも図示された面内では、図示された通路を分割していない。壁が背景にある場合には、矢印１００などの矢印が、そのことを表すために用いられている。断面で表された壁が、ある流路を制限するが別の流路を制限しない場合には、矢印１２０などの矢印が、流路を示すために、構造の背後に通っているのが示されている。寸法と基本的な空間関係は、説明を容易にするためだけであり、比例して示されていない。ここに記載された断面および流路は、説明を容易にするために単純化されている。
【００３６】
上述したように、図１に示した実施の形態は、熱制御または熱緩衝流体のための流体通路Ｃを含み、その流動方向は、白い矢印８０により概略示されている。流体通路Ｃは、入口８２と出口８４を含み、基板２０と３０の間の第１の層および基板４０と５０の間の第２の層の二層へと、デバイス４内で分割されている。それぞれの基板を通る孔８６および８８により、流体通路Ｃ内の流体は、第１と第２の層に到達することができる。図示した実施の形態への変形として、流体通路Ｃの第３、または第３と第４の層を用いてもよく、このとき、第３の層は、図示した全ての層の上面または図示した全ての層の底面のいずれかに設けられ、存在すれば第４の層がその反対に設けられている。
【００３７】
図１に示した本発明の実施の形態は、黒の矢印９０により示された主要流体通路Ａも備えている。主要流体通路Ａは主要入口９２を備え、そこから、この通路は、基板１０、２０および３０を直接通り、基板３０と４０の間の空間中に進む。主要流体通路Ａはさらに、追加の入口または「副」入口９４（２つが示されている）を備えている。
【００３８】
主要流体通路Ａの断面積は、一般に、０．２５から１００ｍｍ2の範囲、望ましくは０．３から２０ｍｍ2の範囲内、より望ましくは０．５から６ｍｍ2の範囲内にある。副入口９４の連続した副入口の間の主要流体通路Ａに沿った空間は、この通路の平均断面積の平方根の少なくとも２倍であることが好ましく、よって、主要流体通路内を流動する流体は、所定の副入口で進入する任意の流体と、次の副入口に到達する前に、混ざるまたは混ざり始めるおよび／または反応するまたは反応し始める、無視できないほどの空間と時間を有する。
【００３９】
副入口９４の連続する副入口の間であり、そのような副入口９４の最後の副入口の後に、主要流体通路は、入口９２から離れる方向に沿って、順番に、より狭くより蛇行した区画１３０（壁構造４５と３５内の協働壁１３２と１３４により一部が形成されている）の形態にある混合区画、およびこの実施の形態においては、基板５０と６０の間の空間に位置し、孔１４５を通って基板４０と５０に到達する、より広くそれほど蛇行していない区画１４０の形態にある滞留時間区画を備えている。より狭くより蛇行した区画１３０は、ある程度の圧力降下を犠牲にして所望の混合効果を持つ混合区画を構成する。より狭くより蛇行した区画が好ましいと考えられているが、そのようなより狭くより蛇行した区画の代わりとして、混合区画は、例えば、混合を生じさせるように配列されたパターンを持つ、パターン付き床または壁を有する通路区画から形成されていてもよい。より広くそれほど蛇行していない区画１４０の形態にある滞留時間区画は、圧力降下を非常に最小にして、ある所望の滞留時間を効果的に提供し、その時間中、反応、熱交換、または他のプロセスが行われるかまたは行われ続ける。より広くそれほど蛇行していない区画１４０には十分な容積が一般に望ましく、よって、次のより蛇行した区画１３０の前に、反応および熱調節が行われる時間がある。様々なそれぞれの基板を通る孔９８は、主要流体通路Ａからの出口をその下流端で形成する。
【００４０】
図１から分かるように、通路Ａのより蛇行した区画１３０の各々およびより広くそれほど蛇行していない区画１４０の各々は、熱制御流体通路Ｃと共通壁を共有している：各区画１３０について、基板４０は通路Ｃとの共通壁であり、一方で、各区画１４０について、基板５０は通路Ｃとの共通壁である。この構成により、主要流体通路Ａのより蛇行した区画１３０の各々およびより広くそれほど蛇行していない区画１４０の各々で直接の熱制御または熱交換がもたらされる。
【００４１】
図１の実施の形態のデバイスは、その流路が灰色の矢印１００により一般に示され、望ましくは０．２５から１００ｍｍ2の範囲内、望ましくは０．３から２０ｍｍ2の範囲内、より望ましくは０．５から６ｍｍ2の範囲内の断面積を有する副作用流体通路Ｂも備えている。副流体通路Ｂは、入口１０２と、最終出口１０６を含む多数の出口１０４とを有している。各出口１０４は、主要流体通路Ａの多数の副入口９４の内の対応する１つと流体連絡しており、出口と副入口が、順番に、２つの通路の入口９２、１０２に最も近いものから、この入口から最も遠いものまで対になっている。
【００４２】
副流体通路Ｂは、この通路の断面寸法に対して連続出口１０４の間で、比較的高い長さ対面積を有することが望ましい。これにより、所望の量の圧力降下が、副流体通路Ｂ内に確実に一貫して提供することができる。出口１０４が２つしか示されていない図１には示されていないが、副通路からの出口１０４の間の副通路Ｂに沿った距離は、入口１０２から離れる方向に、ある出口から次の出口へと増加することが望ましい。これにより、流体が連続した多数の出口１０４を通って流出するにつれて流量が減少するにもかかわらず、連続した出口１０４の間で副流体通路Ｂ内において適切な追加の圧力降下を生成できる。言い換えれば、所定の流量および粘度で正規化された、副作用流体通路に沿った圧力降下は、入口から離れる方向に、出口の各連続した対の間で増加する。あるいは、またはそれに加え、副流体通路１０４の断面積は、適切な圧力降下を提供するように、入口１０２から離れる方向に、一般に減少する。
【００４３】
主要および副流体通路ＡとＢの間に適切な圧力降下かまたは圧力適合を提供するさらに追加のまたは代わりの手段として、主要流体通路の連続したより蛇行した区画１３０は、主要流体通路Ａの入口９２から離れる方向に平均断面直径が増加してもよく、またはより蛇行した区画の各々内に含まれてもよい協働壁１３２および１３４などの障害物が、あるより蛇行した区画１３０から次のものへ、サイズが減少していてよい。これらの様々な圧力降下生成または圧力降下管理特徴構造は、第１の流量で主要流体通路に入る第１の作用流体および第２の流量で副通路に入る第２の作用流体が、主要流体通路内でのみ実質的に混ざり、副流体通路においては一般に混ざらないという点で、主要および副流体通路ＡとＢが互いにバランスがとれているように用いられることが望ましい。
【００４４】
図１に示した本発明の実施の形態によれば、主要流体通路Ａ、副流体通路Ｂ、および熱制御流体のための通路Ｃの全てが１つの単一本体６内に収容されている。単一本体６は、ガラス、ガラスセラミック、またはセラミックから構成され、先に記載し参照したように製造されることが望ましいであろう。単一本体６は、金属やプラスチックなどの他の材料から有用に形成されてもよい。追加の代替例として、本体６は、単一体でなくてもよく、すなわち、修理や洗浄のために、分解可能であってよい。
【００４５】
図２は、本発明のマイクロ反応デバイスまたは装置４の別の実施の形態の断面図である。このデバイスまたは装置は、流体連結器１５０により連結された、第１の単一本体６および第２の単一本体８の形態にある２つの単一体片を含む。図２の代わりの実施の形態のデバイスまたは装置４において、主要流体通路Ａおよび熱制御流体のための少なくとも１つの通路Ｃは第１の単一本体６内に収容され、副流体通路Ｂは第２の単一本体８内に収容され、副流体通路Ｂの出口１０４は、多数の個々の流体連結器１５０により主要流体通路Ａの副入口９４に連結されている。図２の実施の形態の変形として、１つの流体連結器を用いてもよく、その場合、その連結器は流体連結器１５０に対応する多数のチャンネルを有している。
【００４６】
図３の断面は、第１の反応体または作用流体を主要入口９２中に流し込む一方で、第２の反応体または作用流体を多数の副入口９４中に流し込むことによる、本発明の別の態様を示しており、マイクロ反応デバイス４は、図２の本体６に対応するが、図２の本体８を使用せずに用いられる。これは、各入口９４について別個のポンプで行っても、またはユーザにより所望のように他の流体制御で行ってもよい。
【００４７】
本発明の主要流体通路と１つ以上の副流体通路との間の関係のある態様、並びに本発明の他の特徴または態様が、図４〜７の概略図を参照して理解されるであろう。図４は、図１および２に示した実施の形態と類似の本発明のある実施の形態における主要流体通路Ａおよび１つの副流体通路Ｂとの間の関係のいくつかの態様を示す概略図である。
【００４８】
図４を参照すると、主要流体通路Ａが、入口９２から出口９８まで下側の水平線で示されている。多数の副入口９４が、主要通路Ａに沿って直列して間隔が空けられている。入口９２から離れる方向に沿って、順番に、通路Ａのより狭くより蛇行した区画１３０（斜めのジグザグ線により表される）、および通路Ａのより広くそれほど蛇行していない区画１４０（広い湾曲線により表される）が、副入口９４の連続したものの間、および入口９４の最後のものと出口９８の間に、主要通路Ａに沿って配置されている。副通路Ｂは、入口１０２から最後の出口１０６まで、上側の水平線で示されている。最後の出口１０６を含む多数の出口１０４が通路Ｂに沿って直列に配置されている。副通路Ｂの出口１０４は、主要通路Ａのそれぞれの副入口９４と流体連絡している。
【００４９】
この実施の形態においては副通路Ｂの長さが延長された区画１６０の形態にある圧力調節要素が、各連続した出口１０４の間に配置されている。きつい湾曲線により示された長さの延長された区画１６０は、長さ対断面寸法の比が比較的大きく、よって、所望の圧力降下が確実に誘発できることが望ましい。この図に示したように、入口１０２から離れる方向に、多数の出口１０４の連続したものの間の副流体通路Ｂに沿った距離は、各連続した出口１０４から次の出口まで増加し、よって、それぞれの副入口９４で主要通路Ａ内の圧力とほぼ合致するように、連続した各出口を、先の出口に対して減圧させることができる。
【００５０】
本発明の圧力の釣り合わせは、通路Ａに進入する流体の通路Ｂに進入する流体との混合または反応が実質的に通路Ａ内のみで生じることを確実にするのに役立つ。圧力を釣り合わせるために多数の出口１０４の内の連続したものの間で副流体通路Ｂに沿った距離を増加させることには、製造の許容度が緩和されるという点でいくつかの代替例よりも優れた利点がある。何故ならば、所定の流量と粘度についての圧力降下は、流路の比較的長い長さの寸法に主に依存し、長さの製造による変差は、その長さに関連して典型的に相応して小さくなるからである。しかしながら、前述したように、そのような圧力の釣り合わせは、入口１０２から離れる方向における通路Ｂの幅や断面の減少など、また通路Ａの構造内での変更などの、代わりに手段によって、全体的にまたは部分的に行ってもよい。
【００５１】
図５の概略図は、図３に示したタイプのデバイス４の流路の要素を示しており、ここで、主要流体通路Ａは、デバイスの外部から直接アクセスできる多数の副入口９４を有する。本発明のある方法において、第１の反応体を通路Ａへの入口でデバイス中に流入させ、一方で、第２の反応体を副入口９４の多数の箇所または各々の中に流動させる。第２の反応体について、副入口９４の全てを使用するわけではない場合、入口のいくつかを、他の目的のために、例えば、多段階反応のための他の反応体を加えるため、または反応体の添加の間に熱的または化学的クエンチング剤を添加するために、用いてもよい。
【００５２】
本発明のさらに別の実施の形態が図６に示されている。図６の実施の形態は、図４の実施の形態に対して追加の副流体通路Ｄを加えている。副通路Ｂと同様に、追加の副通路Ｄは、入口１７２および最後の出口１７６を含む多数の出口１７４を有する。図６の実施の形態は、主要流体通路Ａ中への追加の副入口９６も備えている。これらの入口は、追加の副流体通路Ｄの多数の出口１７４とそれぞれ流体連絡している。
【００５３】
追加の副流体通路Ｄは、加熱剤またはクエンチング剤、もしくは他のものなどの、反応体以外の作用流体を含む、追加の反応体流または作用流体を、主要通路Ａ中に導入するために用いてもよい。この実施の形態において、追加の副入口９６は、通路Ａのそれぞれのより狭くより蛇行した区画１３０の真ん中に配置されており、これにより、ある程度の混合後であるが、所定のより蛇行した区画１３０の端部に関連する混合活性が減少する前に、通路Ｄから流体を導入することを可能にする。他の位置を選択してもよい。副通路ＢおよびＤのいずれかまたは両方が、図２の実施の形態におけるように、流体連結器により連結された主要通路Ａの単一本体から別個の単一本体内に含まれていても、または図１の実施の形態におけるように、主要通路Ａを含む、１つの単一本体内にいずれかまたは両方が組み込まれていてもよい。
【００５４】
本発明のさらに別の実施の形態が図７に示されている。図７に示された実施の形態において、主要流体通路Ａの１つ以上のより狭くより蛇行した区画が、主要流体通路Ａのより狭くより蛇行した区画の１つ以上の他のものとは異なっている。図示した特定の実施の形態において、代わりのより狭くより蛇行した区画１３０ａはより狭くより蛇行した区画１３０よりも短く、別の代わりのより狭くより蛇行した区画１３０ｂは、より狭くより蛇行した区画１３０よりも長い。そのような変形により、本発明のデバイスが異なるタイプまたは程度の混合、例えば、主要流体通路Ａおよび副流体通路Ｂの異なる合流点での、早い混合と比較的遅い混合を提供することが可能となる。図面に示した通路Ａの代わりの長い区画１４０ａなどの通路のより広くそれほど蛇行していない通路Ａに変更を行ってもよく、通路Ａ内で反応が生じ、通路Ｂでは生じないように所望の圧力の釣り合いを提供するために、副通路Ｂ内に対応する変更を行ってもよい。多段階、多成分反応などの特定の反応のために、混合タイプまたは混合速度および滞留時間の長さなどの変更を調節することができる。図６の実施の形態に関するように、主要通路Ａおよび副通路Ｂは、１つの単一本体内に収容しても、それぞれ別個の単一本体内に収容してもよい。
【００５５】
図８は、本発明のマイクロ反応デバイス４のさらに別の実施の形態の断面図である。図８の代わりの実施の形態のデバイス４において、主要流体通路Ａおよび熱制御流体のための少なくとも１つの通路Ｃが第１の単一本体６内に収容され、副流体通路Ｂが、熱制御流体のための追加の通路Ｅと共に、第２の単一本体８内に収容されている。副流体通路Ｂの出口１０４は、多数の別個の流体連結器１５０を介して、主要流体通路Ａの副入口９４に連結されている。図２の実施の形態におけるように、所望であれば、多数の通路を持つ１つの流体連結器を用いてもよい。図８の実施の形態により、副流体通路Ｂ内の反応体の予熱または予冷が可能になり、所望であれば、副通路Ｂを通って入る反応体を、主要通路９２を通って通路Ａに入る反応体とは異なる温度に維持することさえ可能になる。
【００５６】
図９〜１３は、図２の単一本体６または同様の構造の別の実施の形態を形成するために用いられる壁構造のそれぞれの平面図である。図９〜１３、および１４と１５の図面における特徴構造の相対的なサイズは、一般に、内的に一貫した縮尺であり、約１：１で示されている。
【００５７】
図９は、図２に示した基板２０上に元々形成されるような壁構造２５の平面図である。図９に示された壁構造２５は、デバイスの外壁を画成する壁構造７５、支持と強度を与え、図示した実例におけるように当該の流体を案内するように働く壁構造７６、および流体を制限し、その流体を壁構造が属する層を通して通過させるように働く壁構造７８を含む。対応する基板２０内の孔の位置は、大きな黒い円形として示されている。その孔のいくつかが、当該の流体を、壁構造２５により形成された層に通して単純に通過させる。これらは、通路Ａへの主要入口９２、通路Ａへの副入口９４、および通路Ａからの出口を構成する孔９８を含む。孔８６および８８は、壁構造２５により画成された層へのアクセスを提供し、この層は、熱制御流体通路Ｃの一部を形成する。支持壁構造７６は、孔８６と８８の位置から放射状に広がって、熱制御流体をこの層内の多かれ少なかれ一様な流動パターン中に案内する。
【００５８】
図１０は、図２に示すような基板３０上に元々形成されるような壁構造３５の平面図である。図１０に示した壁構造３５は、デバイスの外壁を画成する壁構造７５、支持と強度を与え、流体を制限し、その流体を壁構造３５により画成された層内に制限するように働く壁構造７７、および流体を制限し、その流体を壁構造３５が属する層を通して通過させるように働く壁構造７８を含む。対応する基板３０の孔も示されている。当該の流体をこの層に通す孔は、通路Ｃの一部である孔８６と８８、および通路Ａからの出口の一部を形成する孔９８を含む。壁構造３５（および一部は、図２に示されるように互いに接しているので、以下に示す壁構造４５）により画成された層へのアクセスを提供する孔は、通路Ａの主要入口９２およびこの場合には合計で４つの通路Ａへの多数の副入口９４を含む。図１０に示された壁構造３５は、図面において縦に向けられた一連の卵形空洞として、通路Ａのより狭くより蛇行した区画１３０の一部を画成する。壁構造３５の一部として、そのような空洞の各々は、その端部に、支柱１３６の形態にある障害物も備えている。壁構造３５は、通路Ａのより広くそれほど蛇行していない区画１４０の一部を画成し、その区画化は、図９〜１３の実施の形態においては、基板４０と５０の間、並びに基板５０と６０の間に位置している。
【００５９】
図１１は、図２に示すような基板４０上に元々形成されるような壁構造４５の平面図である。図１１に示した壁構造４５は、図１０に示したものと同じ一般機能を果たす壁構造を含む。対応する基板４０の孔も示されている。当該の流体をこの層に通す孔は、通路Ｃの一部である孔８６と８８、および通路Ａからの出口の一部を形成する孔９８を含む。孔１４５は、壁構造４５（および図１０に示された壁構造３５）により画成された層からの出口と再流入の入口を提供し、通路Ａのより広くそれほど蛇行していない区画１４０の一部を形成する。図１１に示された壁構造４５は、図面において水平に向けられた一連の卵形空洞として、通路Ａのより狭くより蛇行した区画１３０の一部を画成する。壁構造４５の一部として、そのような空洞の各々は、各端部に、支柱１３６の形態にある障害物も備えている。壁構造４５は、孔１４５に至る通路Ａのより広くそれほど蛇行していない区画１４０の一部も画成する。
【００６０】
図８および９から分かるように、壁構造３５と４５により画成された通路Ａのより蛇行した区画１３０の各々は、図１１の卵形への下方（図の平面への）の曲がり、図１０の卵形への上方（図の平面からの）の曲がり、並びに図１１の卵形に沿って左側と右側への曲がり、および図１０の卵形に沿った図の平面に沿った下方への曲がりを含む、通路内の一連の湾曲または曲がりを提供する。通路Ａにおけるこれらの曲がりまたは湾曲は、少なくとも２つの平面（それより多くなくとも）に効果的に存在し、したがって、三次元的に蛇行しており、通路内を流動する流体内に副流動を効率的に生成する。他のマイクロミキサ設計と比較して、比較的小さな圧力降下しか犠牲せずに、迅速かつ完全な混合が達成される。
【００６１】
図１２は、図２に示すような基板５０上に元々形成されるような壁構造５５の平面図である。対応する基板５５の孔の位置も示されている。孔１４５は、当該の流体を基板５５により画成された層に単純に通す。基板４０を通り、図１１に示された孔８６と８８は、図１２において壁構造５５により画成された層へのアクセスを提供し、その層は、熱制御流体通路Ｃの一部を形成する。基板５０を通り、図１２に示された孔８６ａと８８ａは、必要ではないが、熱制御の追加の層が図２に示した層の下に加えられてもよい、または熱制御流体通路Ｃへのアクセスが、上からの代わりに、または上からに加えて、図２に示したデバイスの下から提供されてもよい、代わりの実施の形態を構成する随意的な孔である。
【００６２】
図１３は、図２に示すような基板６０上に元々形成されるような壁構造６５の平面図である。図１３に示された壁構造６５は、通路Ａのより広くそれほど蛇行していない区画１４０の追加の部分を画成する。この図から分かるように、そのような部分の４つが、壁構造６５により画成された層内に収容されている。これらの部分へのアクセスは、図９および１０にその位置が示された基板４０と５０を通る孔１４５により提供され、最後のそのような部分からの出口は、図２および７〜１０に示された基板２０、３０、４０および５０の各々を通る孔９８により提供される。通路Ａのより広くそれほど蛇行していない区画１４０を、図２に示したタイプのデバイス内の２つの層の間に広げることにより、全体のデバイスのサイズをコンパクトに維持しながら、より広くそれほど蛇行していない区画１４０内の容積を大きくすることができる。より大きな容積により、通路Ａへの連続した入口９２と９４の間の滞留時間を比較的長くすることが可能になり、よって、反応を完了でき、次の入口９４に到達する前に、熱を必要に応じて除去または追加することができる。
【００６３】
図１４は、図２または図８に示された基板１０上に元々形成されるような壁構造１５ａの平面図である。壁構造１５ａは、図２および６に示すような副通路Ｂの実施の形態を画成し、その通路は、本発明の文脈において使用するための直列マニホールドの内部通路を構成する。対応する基板１０の孔の位置が、黒い円形として示されている。基板１５ａを通る孔は、通路Ｂからの最後の出口１０６を含む通路Ｂからの出口１０４を提供する。通路Ｂへの入口１０２は、図１４に示された位置１０３で、図２および６に示されたような基板１１を通る孔により提供される。図１４から分かるように、副流体通路Ｂの入口位置１０３から離れて最後の出口１０６に向かう方向において、多数の出口１０４の連続したものの間の副流体通路Ｂに沿う距離は、各連続出口１０４から次の出口へと増加する。連続出口１０４に供給する連続して長くなる通路部分は、各連続出口で増加した圧力降下（所定の流量と粘度で正規化された）を提供し、主要通路Ａ内の反応体の、副通路Ｂからの反応体との接触が実質的に主要通路Ａ内のみで生じるように流体のバランスをとることが可能になる。
【００６４】
壁構造１５ａの代わりの実施の形態が図１５の平面図に示されている。この実施の形態は、入口位置１０３が異なり、通路の長さが大きく、幅が狭く、ある入口１０４から次の入口までの長さの増加が図１４におけるよりも大きいことを除いて、図１４のものと同様である。図１５による直列マニホールドは、同じ条件下で、図１４によるものよりも、大きな圧力降下を直列マニホールド出口１０４で提供できる。したがって、図１５の実施の形態は、図１４の実施の形態よりも、マニホールド内でより低い粘度および／またはより少ない流量について、最適化されている。直列マニホールドが、図１におけるようにデバイスに永久的に固定されておらず、図２および８におけるように、それらに取り外し可能に連結されている場合、いくつかの標準化されたマニホールドを用いて、かなり幅広い範囲の潜在的な動作条件を網羅し、よって、反応器を動作させるのに必要な多数のポンプの費用を減少しながら、自由度を提供してもよい。図１４におけるように、孔８７および８９は、図２の実施の形態においては要求されないが、図８の実施の形態における壁構造１７により画成される層へのアクセスを提供するように存在し、その壁構造１７は、副単一本体８内に熱制御通路Ｅを画成する。壁構造１７は、図９の壁構造２５および図１２の壁構造５５に似ていることが望ましい。
【００６５】
上述した本発明の様々な実施の形態に亘り共通して、本発明のデバイスにおいてまたは本発明の方法にしたがって行った反応または混合プロセスは、内部集積化デバイスに関するように、非常に小さな断面積の通路において多数の並列の様式で行われるというよりもむしろ、主要流体通路に沿って直列に展開される。それゆえ、通路サイズを減少させず、少ない処理量の傾向を克服するためのそれに関連する並列化の必要なく、より厳密な熱制御が行われる。主要流体通路ではなく、１つ以上の副流体通路のみに、並列ではなく直列の流動分割が用いられる。これにより、望ましくないモル比での動作を生じる流動のアンバランスの虞なく、反応体の理想的なモル比に常に同じ側から到達できる。さらに、１つの合流点を持つミキサに対して、複数の合流点の各々で反応体を少量添加することにより、添加される反応体の局所的な過剰なモル比の蓄積が起こることは考えにくく、モル比制御が改善される。
【００６６】
熱制御は、並列の集積化を用いた（または１つの単体ミキサを用いた）マイクロ反応デバイスに対して向上している。何故ならば、本発明の直列構成により、必然的に、最も微細に分割された並列反応設計よりも、断熱温度上昇が低下（減少が低下）するからである。これは、通路Ａの反応体流の全てが全ての反応地点で存在するので、本発明のタイプの反応デバイスにおけるミキサの所定のものでの反応により生成される（または消費される）エネルギーが、並列に集積化された反応器または一体反応器におけるよりも、より大きな質量の流体に亘り広がるからである。例えば、通路ＡおよびＢ内の流動および熱質量流動が等しく、通路Ｂの４つの出口１０４から流れ出る流動が等しく分割されると仮定すると、本発明のデバイス内の第１のミキサ位置（総質量流動が最も少ない場所）でのベースラインの断熱温度変化は、等しく分割された並列ミキサの構造の断熱温度変化のたった２／５である。総熱質量流動が通路Ｂにおけるよりも通路Ａにおけるほうが多い場合、本発明の構造の利点が増すだけである。例えば、通路Ａの通路Ｂに対する熱質量流量の比が２：１である場合、４つの出口１０４を有する本発明のデバイスにおける断熱温度変化は、最初の混合地点で、並列または一体ミキサのたった１／３である。
【実施例】
【００６７】
本発明のマイクロ反応デバイスから、特にモル比の制御から利益を受けられる反応の例としては、臭素化
【化１】
2009536570.tif 000003
【００６８】
が挙げられる。ここには、３，３−ジメチル１ブテンの臭素化が示されている。この反応は、ブテンのクロロホルム溶液に−７８℃で臭素のクロロホルム溶液を加えることにより行ってもよい。臭素が所望のモル比を超えるときはいつでも、二重結合以外の他の基の臭素化がさらに起こり、その一例として、以下の望ましくない生成物が形成されるであろう：
【化２】
2009536570.tif 000004
【００６９】
パラニトロ安息香酸塩化物のトリｔｅｒｔブトキシ水素化リチウムアルミニウムによる還元などの特定の還元反応も恩恵を受けられる。ｔｅｒｔブトキシアルミニウム水素化リチウムのエーテル溶液を−７０℃でジグライム中の塩化ベンゾイルに加えてもよい：
【化３】
2009536570.tif 000005
【００７０】
局所的に過剰な水素化物がある場合、ニトロ基のアミンへの、またはアルデヒドのアルコールへの望ましくないさらなる還元が生じてしまう。
【００７１】
本発明は、カテコールの塩化ベンゾイルとの反応などのエステル化にとっても有用であり得る：
【化４】
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【００７２】
塩化ベンゾイルは、室温で、カテコールと炭酸ナトリウムの水溶液に加えてもよい。塩化ベンゾイルが局所的に高濃度だと、ジエステルがより多く形成されてしまうので、局所的なモル比の厳密な制御が必要である。
【符号の説明】
【００７３】
４    マイクロ流体デバイス
６，８    単一本体
１０，２０，３０，４０，５０，６０    基板
１５，２５，３５，４５，５５，６５    壁構造
８２，１０２    入口
８４，１０４    出口
８６，８８，９８，１４５    孔
９２    主要入口
９４    副入口
１３０    より狭くより蛇行した区画
１４０    より広くそれほど蛇行していない区画
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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