(57)【要約】【課題】種類の異なる流体間の接触面積を増加させ、それら流体の反応効率を向上することができるマイクロ流体装置及び流体接触方法を提供することにある。【解決手段】マイクロリアクタ１は、注入された２つの原料液Ｌ１，Ｌ２を分岐してそれぞれ排出する流体分岐部１０と、流体分岐部１０から排出された２つの原料液Ｌ１，Ｌ２が流れる流路１１と、流体分岐部１０を支持するとともに制御電圧により所定のストロークで往復移動を行うピエゾステージ１２とから構成されている。【選択図】図１
2009113006.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の排出口を有し、隣接する前記排出口間で種類の異なる流体が排出される流体排出部と、
前記流体排出部を前記流体に対して前記流体の排出方向と交差する方向に相対的に移動させる移動手段とを備えたマイクロ流体装置。
【請求項２】
前記流体排出部は、前記複数の排出口が所定の方向に所定の間隔で配列され、
前記移動手段は、前記流体排出部を前記流体に対して前記所定の方向に相対的に前記所定の間隔往復移動させる請求項１に記載のマイクロ流体装置。
【請求項３】
前記流体排出部は、前記流体の種類毎に設けられた複数の流体導入口と、
前記複数の流体導入口から前記流体導入口の数より多い前記複数の排出口へ分岐する複数の分岐流路とを備えた請求項１又は２に記載のマイクロ流体装置。
【請求項４】
種類の異なる流体を、前記流体が排出される排出方向及び前記排出方向と交差する方向の両断面において交互に配列し、前記流体間を接触させる流体接触方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体装置及び流体接触方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数種の流体を、例えば、直径０．５ｍｍ以下のマイクロ流路内に層流として流通させ、それらの流体を分子拡散により混合して複合反応を行わせるマイクロリアクタが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
このマイクロリアクタは、マイクロ流路入口の径方向断面に格子状に分割された多数の微細な導入口を有し、その導入口に連通する流体導入路が集積された流体導入部と、複数種の流体を多数の流体導入路に分配して、流体導入部が有する導入口からマイクロ流路に導入することにより、マイクロ流路入口の径方向断面において流体が分割された複数の流体セグメントを形成する分配部とを備える。
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−２６２０５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、種類の異なる流体間の接触面積を増加させ、それら流体の反応効率を向上することができるマイクロ流体装置及び流体接触方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下のマイクロ流体装置及び流体接触方法を提供する。
【０００７】
［１］複数の排出口を有し、隣接する前記排出口間で種類の異なる流体が排出される流体排出部と、前記流体排出部を前記流体に対して前記流体の排出方向と交差する方向に相対的に移動させる移動手段とを備えたマイクロ流体装置。
【０００８】
［２］前記流体排出部は、前記複数の排出口が所定の方向に所定の間隔で配列され、前記移動手段は、前記流体排出部を前記流体に対して前記所定の方向に相対的に前記所定の間隔往復移動させる前記［１］に記載のマイクロ流体装置。
【０００９】
［３］前記流体排出部は、前記流体の種類毎に設けられた複数の流体導入口と、前記複数の流体導入口から前記流体導入口の数より多い前記複数の排出口へ分岐する複数の分岐流路とを備えた前記［１］又は［２］に記載のマイクロ流体装置。
【００１０】
［４］種類の異なる流体を、前記流体が排出される排出方向及び前記排出方向と交差する方向の両断面において交互に配列し、前記流体間を接触させる流体接触方法。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に係るマイクロ流体装置によれば、種類の異なる流体間の接触面積を増加させ、それら流体の反応効率を向上することができる。
【００１２】
請求項２に係るマイクロ流体装置によれば、流体の排出方向の断面において、種類の異なる流体が交互に分割された状態で流れるように排出することができる。
【００１３】
請求項３に係るマイクロ流体装置によれば、種類の異なる流体を複数の層流にそれぞれ分岐することができる。
【００１４】
請求項４に係る流体接触方法によれば、種類の異なる流体間の接触面積を増加させ、それら流体の反応効率を向上することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロリアクタの全体構成の一例を示す斜視図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【００１６】
このマイクロリアクタ１は、注入された２つの原料液Ｌ１，Ｌ２を分岐してそれぞれ排出する流体分岐部１０と、流体分岐部１０から排出された２つの原料液Ｌ１，Ｌ２が流れる流路１１と、流体分岐部１０を支持するとともに制御電圧の印加により所定のストロークで往復移動を行うピエゾステージ１２とから構成されている。
【００１７】
ここで、マイクロリアクタ１は、流路１１内において原料液Ｌ１，Ｌ２の化学反応を伴うマイクロ流体装置の一種である。マイクロ流体装置には、例えば、流路１１内において原料液Ｌ１，Ｌ２を単に混合するためのマイクロミキサも含まれる。なお，本実施の形態では流路１１は固定されている．
【００１８】
流体分岐部１０は、２つの原料液Ｌ１，Ｌ２がそれぞれ注入される導入口１００ａ，１００ｂと、注入された２つの原料液Ｌ１，Ｌ２をそれぞれ排出する複数の微細排出口１０１ａ，１０１ｂとを有し、導入口１００ａ，１００ｂと複数の微細排出口１０１ａ，１０１ｂとの間は、複数の配管１０２ａ，１０２ｂによりそれぞれ接続されている。なお、複数の配管１０２ａ，１０２ｂは、複数の分岐流路を構成する。
【００１９】
微細排出口１０１ａ，１０１ｂの幅及び高さは、例えば、１０μｍ〜２００μｍである。なお、微細排出口１０１ａ，１０１ｂの配置については、後述する。
【００２０】
流路１１は、複数の微細排出口１０１ａ，１０１ｂを介して２つの原料液Ｌ１，Ｌ２が注入され、それら２つの原料液Ｌ１，Ｌ２が流路１１内部を流れ、その結果得られた反応液Ｌ３を出口１１０から排出する。
【００２１】
流路１１は、Ａｌ，Ｎｉ、Ｃｕ等の金属や、セラミックス、シリコン、誘電体等の非金属等を用いて製作することができ、流路１１の幅及び高さは、微細排出口１０１ａ，１０１ｂの幅及び高さと微細排出口１０１ａ，１０１ｂが配置された数とにより決定されるものであるが、例えば、２００μｍ〜２０００μｍである。
【００２２】
図３（ａ）は、図１におけるＢ−Ｂ線断面図を示し、図３（ｂ）は、圧電変位部を示す図である。ピエゾステージ１２は、流体分岐部１０を支持する可動部１２０と、制御電圧の印加により変位量としてストロークＳだけ変位する圧電変位部１２２と、圧電変位部１２２の変位量をガイド機構（図示せず）を介して可動部１２０に伝達する本体１２１とから構成されている。
【００２３】
圧電変位部１２２は、図３（ｂ）に例示するように、制御電圧の印加により変形する特性を有するピエゾ素子１２２Ａと、ピエゾ素子１２２Ａを囲み、ピエゾ素子１２２Ａの変形を変位方向の変位量に変換するフレーム１２２Ｂとからなる。
【００２４】
図４は、図１におけるＣ−Ｃ線断面図であり、図４（ａ）は、ピエゾステージ１２に制御電圧が印加されていないときのピエゾステージ１２の位置（初期位置）を示し、図４（ｂ）は、ピエゾステージ１２に制御電圧が印加されているときのピエゾステージ１２の位置（移動位置）を示す図である。
【００２５】
流体分岐部１０が有する複数の微細排出口１０１ａ，１０１ｂは、図４に例示するように、所定の方向、すなわち、所定の間隔（ピッチＰ）で格子状に配列されている。そして、隣接する微細排出口１０１ａ，１０１ｂは、導入口１００ａ，１００ｂを介して注入された２つの原料液Ｌ１，Ｌ２のうち種類の異なる原料液をそれぞれ排出するように、導入口１００ａ，１００ｂとの間で複数の配管１０２ａ，１０２ｂによりそれぞれ接続されている。
【００２６】
なお、本実施の形態では、複数の微細排出口１０１ａ，１０１ｂを縦横それぞれ４つずつ配列したが、縦横の微細排出口の数は、それぞれ３つ以下でもよいし、５つ以上でもよいし、縦横に配列した微細排出口の数は異なっていてもよい。
【００２７】
また、微細排出口１０１ａ，１０１ｂは、格子状に配列する他に、千鳥格子状に配列してもよい。また、微細排出口１０１ａ，１０１ｂは、四角形の他に、例えば、円形でもよいし、三角形、六角形等の多角形でもよいし、それらの組み合わせでもよい。
【００２８】
ピエゾステージ１２は、初期位置と移動位置との間の変位量としてストロークＳだけ移動するが、そのストロークＳは、流体分岐部１０における複数の微細排出口１０１ａ，１０１ｂのピッチＰに相当する。なお、初期位置から移動位置への移動を往路移動といい、移動位置から初期位置への移動を復路移動といい、ピエゾステージ１２は、制御電圧の印加により往路移動と復路移動を繰り返し行う。
【００２９】
なお、流路１１内を流れる２つの原料液Ｌ１，Ｌ２の流速が、例えば、１ｍｍ／ｓｅｃである場合には、ピエゾステージ１２は、数ｍｓｅｃの応答速度で往路移動又は復路移動を行うのが好ましい。
【００３０】
また、図４では、ピエゾステージ１２はストロークＳとして微細排出口のピッチＰだけ移動するが、ピッチＰの奇数倍（例えば、３倍、５倍等）に相当する距離を移動するようにしてもよい。
【００３１】
（実施の形態の動作）
次に、本発明の実施の形態に係るマイクロリアクタ１の動作について、図５及び図６を参照して説明する。
【００３２】
まず、２つの原料液Ｌ１，Ｌ２が、一定の圧力が加えられた状態で流体分岐部１０の導入口１００ａ，１００ｂからそれぞれ注入される。
【００３３】
次に、導入口１００ａ，１００ｂに注入された２つの原料液Ｌ１，Ｌ２は、配管１０２ａ，１０２ｂをそれぞれ通過して、複数の微細排出口１０１ａ，１０１ｂから流路１１に注入される。
【００３４】
ここで、図５は、原料液Ｌ１，Ｌ２が流体分岐部１０から流路１１に流れる状態を例示する模式図である。なお、図５は、流体分岐部１０が有する複数の微細排出口１０１ａ，１０１ｂのうち２つの隣接する微細排出口１０１ａ，１０１ｂを例示したものである。
【００３５】
図５（ａ）は、ピエゾステージ１２が初期位置に存在する状態を示し、原料液Ｌ１，Ｌ２が微細排出口１０１ａ，１０１ｂから流路１１に注入されている。
【００３６】
次に、ピエゾステージ１２は、制御電圧が印加されると、その印加された制御電圧により圧電変位部１２２が膨張することにより、ピエゾステージ１２の可動部１２０は、往路移動を行う。
【００３７】
そして、原料液Ｌ１，Ｌ２は、図５（ｂ）に例示するように、流路１１内を原料液Ｌ１，Ｌ２が流れる流れ方向（排出方向）と交差する交差方向において、図５（ａ）と比較してストロークＳだけ微細排出口１０１ａ，１０１ｂが移動した状態で流路１１に注入されている。
【００３８】
次に、ピエゾステージ１２は、制御電圧の印加が停止されると、圧電変位部１２２が元の状態に収縮し、可動部１２０は復路移動を行い、初期位置に戻る。
【００３９】
従って、原料液Ｌ１，Ｌ２は、図５（ｃ）に例示するように、交差方向において、図５（ｂ）と比較してストロークＳだけ微細排出口１０１ａ，１０１ｂが移動した状態で流路１１に注入されている。
【００４０】
そして、ピエゾステージ１２は、上記のような往路移動と復路移動を繰り返し行い、その往復移動を行っている間、原料液Ｌ１，Ｌ２は、継続的に複数の微細排出口１０１ａ，１０１ｂから流路１１に注入される。
【００４１】
図６は、図１におけるＤ−Ｄ線断面において、原料液Ｌ１，Ｌ２が流路１１内を流れる状態を例示した模式図である。すなわち、原料液Ｌ１，Ｌ２は、ピエゾステージ１２による往復移動により、流れ方向の断面においても交互に配列された状態で流路１１内を流れる。このように、流れ方向及び交差方向において、原料液Ｌ1，Ｌ２が互いに接触するため、それら流体間の接触面積が増加し、流体間の反応効率を向上することができる。なお、図６は、理想的な状態を示す模式図であるため、実際の原料液Ｌ１，Ｌ２が流れる状態を厳密に示すものではない。
【００４２】
そして、流路１１内を流れる原料液Ｌ１，Ｌ２は、それら原料液の層流と他の原料液の層流との界面において、反応が進み、出口１１０から反応液Ｌ３が排出される。
【００４３】
［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、移動手段としてピエゾステージ１２を用いたが、移動機構を備えたものであれば、他の移動手段を用いてもよい。
【００４４】
また、上記実施の形態では、ピエゾステージ１２は、流体分岐部１０を水平方向に移動するものであるが、垂直方向に移動するものでもよい。また、水平方向及び垂直方向の両方に移動可能なピエゾステージ１２を用い、水平方向及び垂直方向の移動を組み合わせて、流体分岐部１０を２次元的に移動するようにしてもよい。
【００４５】
また、直線的に移動するピエゾステージ１２の代わりに、交差方向において流体分岐部１０を円弧状に移動する機構を備えたステージを用いてもよい。
【００４６】
また、ピエゾステージ１２は、往復移動を行うことにより原料液Ｌ１，Ｌ２の層流が方形波の形状をなしたが、例えば、層流が正弦波、三角波等の形状をなすように、ピエゾステージ１２が移動するようにしてもよい。
【００４７】
また、上記実施の形態では、ピエゾステージ１２は、流体分岐部１０を支持し移動するものであるが、ピエゾステージ１２は流体分岐部１０を流路１１に対して相対的に移動すればよく、例えば、流路１１を支持し移動するようにしてもよい。また、マイクロリアクタ１が、２つのピエゾステージ１２を備え、流体分岐部１０及び流路１１の両方を移動するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロリアクタの全体構成の一例を示す斜視図である、
【図２】図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図３】図３（ａ）は、図１におけるＢ−Ｂ線断面図を示し、図３（ｂ）は、圧電変位部の構成例を示す図である。
【図４】図４は、図１におけるＣ−Ｃ線断面図であり、図４（ａ）は、ピエゾステージ１２に制御電圧が印加されていないとき、図４（ｂ）は、ピエゾステージ１２に制御電圧が印加されているときの流体分岐部１０の位置をそれぞれ示す図である。
【図５】図５は、原料液Ｌ１，Ｌ２が流体分岐部から流路に流れる状態を例示する模式図である。
【図６】図６は、図１におけるＤ−Ｄ線断面において、原料液が流れる状態を例示する模式図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  マイクロリアクタ
１０  流体分岐部
１１  流路
１２  ピエゾステージ
１００ａ，１００ｂ  導入口
１０１ａ，１０１ｂ  微細排出口
１０２ａ，１０２ｂ  配管
１１０  出口
１２０  可動部
１２１  本体
１２２  圧電変位部
１２２Ａ  ピエゾ素子
１２２Ｂ  フレーム
【図１】
2009113006.tif 000003
【図２】
2009113006.tif 000004
【図３】
2009113006.tif 000005
【図４】
2009113006.tif 000006
【図５】
2009113006.tif 000007
【図６】
2009113006.tif 000008