(57)【要約】【課題】            流体混合装置の各分岐導入路における流量の均一化を素早く容易に行え、かつ安価な流量制限ユニットを備えた流体混合装置を提供する。【解決手段】        流体を導入する流体導入路を複数備え、流体導入路には流体を分流する複数の流体分岐導入路が備えられており、流体分岐導入路が合流する合流部と、合流部と連通する導出路とを複数備える流体混合装置において、流体分岐導入路には、着脱可能な流量制限ユニットが各々備えられており、流量制限ユニットには、オリフィス板が含まれていることを特徴とする流体混合装置【選択図】          図１
2012101141.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を導入する流体導入路を複数備え、
前記流体導入路には流体を分流する複数の流体分岐導入路が備えられており、
前記流体分岐導入路が合流する合流部と、前記合流部と連通する導出路とを複数備える流体混合装置において、
前記流体分岐導入路には、着脱可能な流量制限ユニットが各々備えられており、
前記流量制限ユニットには、オリフィス板が含まれている
ことを特徴とする流体混合装置。
【請求項２】
第１の流体を導入する第１流体導入路と、
第２の流体を導入する第２流体導入路とを備え、
第１流体導入路には第１の流体を分流する第１流体分岐導入路を複数備え、
第２流体導入路には第２の流体を分流する第２流体分岐導入路を複数備え、
前記第１流体分岐導入路と前記第２流体分岐導入路とが一対で合流する合流部と、
前記合流部と連通する導出路とを複数備える流体混合装置において、
第１流体分岐導入路及び第２流体分岐導入路の途中に、脱着可能な流量制限ユニットを各々備え、
前記流量制限ユニットには、オリフィス板が含まれている
ことを特徴とする流体混合装置。
【請求項３】
前記流量制限ユニットには、
オリフィス板と、連通孔及び凹み部を有するホルダと、パッキンとが含まれており、
前記流量制限ユニットが前記流体分岐導入路に取り付けられた状態にあるとき、
前記オリフィス板が前記ホルダの凹み部に填め込まれ、
前記オリフィス板の開口部と前記ホルダの連通孔とは互いに連通し合い、
かつ、前記パッキンの片面が前記オリフィス板の片面と密着し、
前記パッキンの外周部が前記ホルダの凹み部の内周と密着している
ことを特徴とする、
請求項１又は２に記載の流体混合装置。
【請求項４】
前記ホルダには、前記凹み部の最外周に第２の凹みが設けられており、前記第２の凹みと、前記オリフィス板の外縁の少なくとも一部とが重なる
ことを特徴とする、請求項３に記載の流体混合装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロリアクタと呼ばれる微細な流路を有する流体混合装置において、流路を分岐させて同時並列処理をするナンバリングアップタイプのマイクロリアクタであって、分岐された流路を通る導入流体の流量を均一化する構造を有する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、流路径が数百μｍ２から数ｍｍ２の微細な流路を有する流体混合装置に、お互いに反応する２種類以上の流体を導入し、微細な流路内でお互いに接触させて化学反応を生じさせるマイクロリアクタと呼ばれる反応装置が注目されている。
【０００３】
このマイクロリアクタは、反応部の体積当たりの表面積が大きく、流路の幅や高さが小さく、流路の容積が小さい。そのため、マイクロリアクタでは、試薬の混合時間が短くなり、試薬に対する熱交換が速くなり、試薬同士の反応効率が高くなるといった効果が期待できる。
【０００４】
一方、マイクロリアクタは、このようなマイクロ空間において流体を精密に制御しながら反応や混合を行うため、一度に処理できる流量が少ない。しかし、マイクロリアクタの流路を大型化し、容量を増加させて処理量を向上させると、マイクロリアクタ特有の基本機能（例えば、層流を形成する等）が失われる。
【０００５】
そこで、流路を増やす、いわゆるナンバリングアップ技術に関する各種検討がなされている。そして、マイクロリアクタにおける精密な化学反応を実現するためには、導入流体の流量を精密に調節し、均一化させることが重要である。
【０００６】
マイクロリアクタのナンバリングアップに関しては、互いに並列に接続された分岐配管で構成された技術が開示されている（特許文献１）。この中では、分岐した配管の圧損を同じにするために、流量調整用の微細な流路を備え、流路径の等しいマイクロ流路を用いてその長さを調整したり、流路長さの等しいマイクロ流路を用いてその径を調整したりしている。
【０００７】
また、多数に分岐された流路において、それぞれの流路の圧損を均一化するために、流体抵抗を調整する技術が開示されている（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００７−１３６２５３号公報
【特許文献２】特表２００７−５１５６４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
マイクロリアクタの分岐された流路の肉厚部材の精密加工は難しい。そのため、流路長や流路径を一定にして、導入流体の流量を精密に均一化することが困難である。そして、流量を均一化させるために、流路長や流路径を追加工するなどして調整することも、困難である。
【００１０】
或いは、開口部の面積が変更可能な調整弁を用いることも考えられるが、マイクロ流路の開口面積は極めて小さいため、調整弁を用いて、多数に分岐された流路の流量をそれぞれ均一になるように微調整することは困難である。また、調整弁は可動部を有する構造であるため、一度流量を均一に定量化できたとしても、経時的に流量が変化してしまう場合もあり、調整弁が適しているとはいえない。
【００１１】
そこで本発明は、流体混合装置の各分岐導入路における流量の均一化を素早く容易に行え、かつ安価な流量制限ユニットを備えた流体混合装置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】
【００１２】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、
流体を導入する流体導入路を複数備え、
前記流体導入路には流体を分流する複数の流体分岐導入路が備えられており、
前記流体分岐導入路が合流する合流部と、前記合流部と連通する導出路とを複数備える流体混合装置において、
前記流体分岐導入路には、着脱可能な流量制限ユニットが各々備えられており、
前記流量制限ユニットには、オリフィス板が含まれている
ことを特徴とする流体混合装置である。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、
第１の流体を導入する第１流体導入路と、
第２の流体を導入する第２流体導入路とを備え、
第１流体導入路には第１の流体を分流する第１流体分岐導入路を複数備え、
第２流体導入路には第２の流体を分流する第２流体分岐導入路を複数備え、
前記第１流体分岐導入路と前記第２流体分岐導入路とが一対で合流する合流部と、
前記合流部と連通する導出路とを複数備える流体混合装置において、
第１流体分岐導入路及び第２流体分岐導入路の途中に、脱着可能な流量制限ユニットを各々備え、
前記流量制限ユニットには、オリフィス板が含まれている
ことを特徴とする流体混合装置である。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、
前記流量制限ユニットには、
オリフィス板と、連通孔及び凹み部を有するホルダと、パッキンとが含まれており、
前記流量制限ユニットが前記流体分岐導入路に取り付けられた状態にあるとき、
前記オリフィス板が前記ホルダの凹み部に填め込まれ、
前記オリフィス板の開口部と前記ホルダの連通孔とは互いに連通し合い、
かつ、前記パッキンの片面が前記オリフィス板の片面と密着し、
前記パッキンの外周部が前記ホルダの凹み部の内周と密着していることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の流体混合装置である。
【００１５】
請求項３に記載の発明によれば、パッキンとホルダとが密着する部分が増えるため、密閉性が向上する。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、
前記ホルダには、前記凹み部の最外周に第２の凹みが設けられており、前記第２の凹みと、前記オリフィス板の外縁の少なくとも一部とが重なる
ことを特徴とする、請求項３に記載の流体混合装置置である。
【００１７】
請求項４に記載の発明によれば、流量制限ユニットのオリフィス板を容易に交換できる。
【発明の効果】
【００１８】
流体混合装置の各分岐導入路における流量の均一化を素早く容易に行える。また、流量均一化のための流量制限ユニットを安価で提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明を具現化する流体混合装置の外観を示す斜視図である。
【図２】本発明を具現化する流体混合装置の内部を示す斜視図である。
【図３】本発明を具現化する流体混合装置の断面図である。
【図４】本発明を具現化する流量制限ユニットの斜視図である。
【図５】本発明を具現化する流量制限ユニットの断面図である。
【図６】本発明を具現化する第２の例の流量制限ユニットの断面図である。
【図７Ａ】本発明を具現化する第２の例の流体混合装置の内部を示す部分斜視図である。
【図７Ｂ】本発明を具現化する第３の例の流体混合装置の内部を示す部分斜視図である。
【図７Ｃ】本発明を具現化する第４の例の流体混合装置の内部を示す部分斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［全体構成］
図１は、本発明を具現化する流体混合装置の外観を示す斜視図である。
図２は、本発明を具現化する流体混合装置の内部流路を示す斜視図である。
本発明の流体混合装置は、複数の流体を複数に分岐して混合させることができるが、図１及び図２を併用して、以下に２つの流体を、５つに分岐して混合させる事例で説明を行う。
流体混合装置１は、流体を導入する複数の流体導入部２と、流体導入部２に導入された前記流体をさらに複数に分岐して導入する流体分岐導入部３と、前記流体分岐導入部３を通過する流体の流量を制限する流量制限部４と、前記分岐及び流量制限された複数の流体を混合させる合流部５と、前記混合した流体を導出させる導出部６と、を備えている。
【００２１】
流体導入部２は、流体導入ブロック２０の内部に、第１の流体を導入する第１流体導入路２１と、第２の流体を導入する第２流体導入路２２とを備えている。
さらに、第１流体導入路２１は、流体混合装置１の外部から流体を導入するための接続口２１ａ、２１ｂと連通しており、第２流体導入路２２は、流体混合装置１の外部から流体を導入するための接続口２２ａ、２２ｂと連通している。
【００２２】
第１流体導入路２１には、複数の第１流体分岐導入路３１（−１〜５）（この−１〜５は、図示事例の第１番目から第５番目を示す枝番であり、以下同様の付加表示をする）が接続されており、第１流体導入路２１に導入された第１の流体が、分岐導入される構造をしている。同様に、第２流体導入路２２には、複数の第２流体分岐導入路３２（−１〜５）が接続されており、第２流体導入路２２に導入された第２の流体が、分岐導入される構造をしている。
【００２３】
第１流体分岐導入路３１（−１〜５）及び第２流体分岐導入路３２（−１〜５）は、それぞれ、流量制限ユニット４０（−１１〜１５、−２１〜２５）が備えられており、個別に流量制限ができる構造をしている。
【００２４】
合流部５（−１〜５）は、混合用ブロック５０（−１〜５）の内部に設けられており、第１流体分岐導入路３１（−１〜５）と、第２流体分岐導入路３２（−１〜５）とは、それぞれ一対となって合流部５（−１〜５）で合流し、さらに、導出部６（−１〜５）へと連通する構造をしている。
【００２５】
導出部６（−１〜５）は、混合用ブロック５０（−１〜５）の出口側の導出路６０（−１〜５）若しくは、反応用ブロック６１（−１〜５）の出口側の導出路６２（−１〜５）を差す。そして、反応流体は反応後、若しくは、反応用ブロック６１（−１〜５）内を通過して加熱や冷却などが行われた後に、回収される。
【００２６】
［詳細構造］
図３は、本発明を具現化する流体混合装置の断面図である。
図３は、図１及び図２におけるＡ−Ａで矢視した部分、つまり第５番目の混合流路の断面を表している。
第１流体導入路２１と第５番目の第１流体分岐導入路３１−５とが連通しており、第２流体導入路２２と第５番目の第２流体分岐導入路３２−５とが連通している。
第１流体分岐導入路３１−５には流量制限ユニット４０−１５が備えられ、第２流体分岐導入路３２−５には流量制限ユニット４０−２５が備えられている。
【００２７】
第１流体分岐導入路３１−５と第２流体分岐導入路３２−５とは、合流部５−５で合流し、導出路６０−５と連通する構造をしている。
本発明の流体混合装置１の流体分岐導入部３及び流量制限部４、合流部５、導出部６は、第１番目から第５番目まで同じ構造をしている。また、５分岐以外の複数分岐の場合にも、本発明を適用することができる。そのため、少量の反応流体を数多く導出させて反応流量を増やす、いわゆるナンバリングアップが具現化できる。
【００２８】
図４は、本発明を具現化する流量制限ユニットの斜視図である。
流量制限ユニット４０は、開口部４３を有するオリフィス板４２と、ホルダ４４とが含まれて備えられている。ホルダ４４は、円柱状の形状を例示でき、対向する平面２面のほぼ中央部に連通孔４５が設けられており、流体が通過できる構造をしている。さらに、ホルダ４４は、前記平面の１つの面側に凹み部４６が備えられており、凹み部４６にオリフィス板４２を填め込むことができる構造をしている。
【００２９】
オリフィス板４２は、薄肉厚の円形が好ましい。そうすれば加工が容易で、安価に多数のオリフィス板４２が準備できるからである。しかし、オリフィス板４２は、正円形に限られず、楕円形や四角形や多角形、さらには一部に凹みや突起部を有する、様々な幾何学図形であっても良い。適宜形状に設計することで、１枚の大きな原板から効率良く、切り出しや打ち抜き加工をすることができる。そして、そのオリフィス板の外形に合わせてホルダの凹み部の形状を設計すればよい。
【００３０】
図５は、本発明を具現化する流量制限ユニットの断面図である。
図４で示した流量制限ユニット４０を、連通孔４５の中心を垂直に通る断面を表している。オリフィス板４２は、ホルダ４４の凹み部４６に填め込まれており、オリフィス板４２の開口部４３とホルダ４４の連通孔４５とが重なり合って互いに連通し有っている。開口部４３の径は、連通孔４５よりも小さい。そうすることで、オリフィス板４２の開口部４３の径を適宜決定することで、通過する流体の流量を制限することができる。
【００３１】
ホルダ４４の凹み部４６には、パッキン４８を填め込むことができる。
凹み部４６とパッキン４８との適した寸法としては、凹み部４６の内径Ｄ１がパッキン４８の外径ｄ１と同じかやや小さく、
凹み部４６にオリフィス板４２とパッキン４８とを密着させて配置したときにパッキン４８がホルダ４４の上面よりも外側にはみ出るようにオリフィス板４２の厚みｔｏとパッキン４８の厚みｔｐと凹み部４６の深さｈとを設定することが好ましい。つまり、下記の数式１及び数式２が成り立つように、適宜寸法を設定する。
【００３２】
【数１】
2012101141.tif 000003
【００３３】
【数２】
2012101141.tif 000004
【００３４】
そうすることで、流量制限ユニット４０を流体混合装置１に組み込んだ際に、パッキン４８が押しつぶされ、ホルダ４４とパッキン４８とが密着し合い、流体の漏れを防ぐことができる。なお、上記関係式が成り立たなくても、実質的にパッキンの効果が生じるような構造に設計すれば、別の形状及び寸法に設定しても良い。例えば、ホルダ４４の凹み部４６と対向する混合用ブロック５０−５の内面が、平面では無く、ホルダ４４の凹み部４６の内径と嵌め合わせできるような円環状の突起形状である場合などが例示できる。
【００３５】
また、ホルダ４４の形状は、上述した形状でも良いが、凹み部４６の外周に、外周凹み部４６ｄを有する形状を選択しても良い。外周凹み部４６ｄは、凹み部４６に添った円環形状、非連続の円環形状又は一部に凹みを有する形状を例示できる。そうすることで、オリフィス板４２を交換する際に取り外しが容易になる。さらに、外周凹み部４６ｄを連続した円環形状とすれば、凹み部４６の外周の角部に加工時の丸みが残ることを防ぐことができ、オリフィス板４２の収まりが良くなるので、より好ましい。
【００３６】
図６は、本発明を具現化する第２の例の流量制限ユニットの断面図である。
【００３７】
上述した形状のホルダ４４とは別に、第２の例のホルダ４４ｂとして示すような形状であっても良い。
ホルダ４４ｂには、連通孔４５ｂと第１の凹み部４６ｂとが備えられている。そして凹み部４６ｂの外周よりも内側に、第２の凹み部４６ｃが備えられている。ホルダ４４ｂにおいては、オリフィス板４２が第２の凹み部４６ｃに填め込まれる構造をしている。
【００３８】
ホルダ４４ｂの形状は、上述した形状でも良いが、第２の凹み部４６ｃの外周に、さらに外周凹み部４６ｆを有する形状を選択しても良い。外周凹み部４６ｆは、第２の凹み部４６ｂに添った円環形状又は非連続の円環形状、一部に凹みを有する形状を例示できる。そうすることで、オリフィス板４２を交換する際に取り外しが容易になる。さらに、外周凹み部４６ｆを連続した円環形状とすれば、第１の凹み部４６ｂの外周の角部に加工時の丸みが残ることを防ぐことができ、オリフィス板４２の収まりが良くなるので、より好ましい。
【００３９】
第１の凹み部４６ｂとパッキン４８との適した寸法としては、第１の凹み部４６ｂの内径Ｄ３がパッキン４８の外径ｄ２と同じかやや小さく、
第１の凹み部４６ｂの内径Ｄ３よりも第２の凹み部４６ｃの内径Ｄ４が小さく、
第２の凹み部４６ｃにオリフィス板４２を填め込み、オリフィス板４２の上からパッキン４８を密着させて配置したときにパッキン４８がホルダ４４の上面よりも外側にはみ出るようなオリフィス板４２の厚みｔｏとパッキン４８の厚みｔｐと凹み部４６の深さｈとを選択することが好ましい。
つまり、下記の数式３及び数式４が成り立つように、適宜寸法を設定する。
【００４０】
【数３】
2012101141.tif 000005
【００４１】
【数４】
2012101141.tif 000006
【００４２】
上述では、２つの流体を、５つに分岐して混合させる場合について説明したが、本発明は、２つ以上の流体を、２つ以上に分岐させて混合させる場合について適応させることができる。
【００４３】
図７Ａは、本発明を具現化する第２の例の流体混合装置の内部を示す部分斜視図であり、図７Ｂは、本発明を具現化する第３の例の流体混合装置の内部を示す部分斜視図である。いずれも、１つの合流部５に対して合流する流体分岐導入路３と、各々の流量制限部４と、第１の流体導入路２１及び第２流体導入路２２の一部とを図示している。１つの合流部５に合流する流体分岐導入路は、図７Ａ，図７Ｂにて例示するような、種々の分岐合流形態にも適用できる。
【００４４】
図７Ｃは、本発明を具現化する第４の例の流体混合装置の内部を示す部分斜視図である。１つの合流部５に対して合流する流体分岐導入路３と、各々の流量制限部４と、第１の流体導入路２１及び第２流体導入路２２及び第３流体導入路２３の一部とを図示している。同様にして、４つ以上の流体を混合させることも可能である。
【００４５】
これらの場合、流体分岐導入流路３をそれぞれ、並列に配置したり、等ピッチ等角度に配置したり、同心円に配置したり、反応させる流体の反応時間や流量、反応特性などに合わせて適宜設計することで、本発明を適用させることができ、導出部６から反応流体を得ることができる。
【００４６】
流体導入部２の内径は、第１番目と他の部位とで同じ直径であることが加工の容易性からすると好ましい。一方、流体導入流路の接続口が１つの場合や、流体分岐導入路３が多数ある場合においては、流体導入流部２の断面積が下流部にかけて、先細りする様にしても良い。そうすることで、流体導入部２内の上流部と下流部とでの流速を一定にできる。
【００４７】
また、流体分岐導入部３の内径も、第１番目と他の部位とで同じ直径であることが好ましい。しかし、分岐導入される第１及び第２の流体の流量が、流量制限ユニット４０で均一化でき、導出される反応流体がそれぞれ均一である認められる範囲内であれば、流体分岐導入部３の内径の違いは許容される。
【００４８】
導出部６（−１〜５）は、反応用ブロック６１（−１〜５）内を通過して加熱や冷却などを行わない場合、混合用ブロック５０（−１〜５）の出口側の導出路６０（−１〜５）とすることができ、ここから反応直後の反応流体を取り出して回収する構造にしても良い。
【００４９】
［具体的な流量調整方法］
予め所定の寸法と寸法公差を指定して、開口部を有する流量調整用部材を製作する。
予め流量調整用部材の開口部の面積を画像処理を応用した計測装置などで測定しておく。或いは、あらかじめ圧力損失を調べておいても良い。
【００５０】
予め製作した流量調整用部材のうち、所定の開口面積又は圧力損失を有するものを選択しホルダに組み込む。第１流体導入路の流路断面積が、第１流体分岐導入路の流路断面積合計と比較して十分に大きい場合は、それぞれのオリフィス板の開口面積又は圧力損失は、同じにすれば良い。
第１流体導入路の流路断面積が、第１流体分岐導入路の流路断面積合計と比較して十分に大きくない場合や同程度の場合は、下流側よりも上流側のオリフィス板の開口面積を増やしたり圧力損失を減らしたりすれば良い。
これらは、第２流体分岐導入路のオリフィス板についても同様である。
【００５１】
流量調整用部材としては、例えば０．０５ｍｍ〜２ｍｍの厚みの、アルミ、チタン等の金属又は、プラスチック、アクリル、ポリカーボネイトなどの樹脂材料が例示できる。特に、材料としてはステンレス板が好ましく、対薬品性、強度、価格及び入手の容易さの面で優れる。また、厚みは０．２ｍｍ程度が好ましく、加工精度の観点からも好適である。
【００５２】
上述のように本発明は、流量制限のためにオリフィス板を採用している。そのため、取り外しや交換がしやすく、清掃もしやすい。そのため、目詰まりなどで流量バランスが変わったとしても、清掃をすれば、当初設定した流量バランスが再現される。また、流量制限ユニットは流体混合装置から脱着可能で、オリフィス板は流量制限ユニットから脱着可能であるため、それぞれが容易に交換できる。
【符号の説明】
【００５３】
１    流体混合装置
２    流体導入部
３    流体分岐導入部
４    流量制限部
５    合流部（−１〜５）
６    導出部（−１〜５）
１１    第１の流体
１２    第２の流体
２０    流体導入ブロック
２１    第１流体導入路
２１ａ  接続口
２２    第２流体導入路
２２ａ  接続口
２３    第３流体導入路
３１    第１流体分岐導入路（−１〜５）
３２    第２流体分岐導入路（−１〜５）
４０    流量制限ユニット（−１〜５）
４２    オリフィス板
４３    開口部
４４    ホルダ
４４ｂ  ホルダ
４５    連通孔
４５ｂ  連通孔
４６    凹み部
４６ｂ  第１の凹み部
４６ｃ  第２の凹み部
４６ｄ  外周凹み部
４６ｆ  外周凹み部
４８    パッキン
５０    混合用ブロック
６０    出口側の導出路
６１    反応用ブロック
６２    出口側の導出路
Ｄ１    内径
Ｄ３    内径
Ｄ４    内径
Ｍ      流体の数
Ｎ      流体の分岐数
【図１】
2012101141.tif 000007
【図２】
2012101141.tif 000008
【図３】
2012101141.tif 000009
【図４】
2012101141.tif 000010
【図５】
2012101141.tif 000011
【図６】
2012101141.tif 000012
【図７Ａ】
2012101141.tif 000013
【図７Ｂ】
2012101141.tif 000014
【図７Ｃ】
2012101141.tif 000015