JP2006024028A

JP2006024028A - 超小型減圧流量制御装置

Info

Publication number: JP2006024028A
Application number: JP2004202194A
Authority: JP
Inventors: Junji Niikura; 順二新倉; Yukihiro Okada; 行広岡田; 聡 ▲渋▼谷; Satoshi Shibuya
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-07-08
Filing date: 2004-07-08
Publication date: 2006-01-26

Abstract

【課題】極めて小型の構成によって、加圧された流体を微小定流量の流量に制御、供給することを可能にする超小型減圧流量制御装置を提供する。
【解決手段】超小型減圧流量制御装置１００は、流体を流して流体の圧力を低減させる第１微細流体流路１と、第１微細流体流路１に連結され、第１微細流体流路１からの流体を流すためのＮ本（Ｎは２以上の整数）の第２微細流体流路３と、各第２微細流体流路３にそれぞれ設けられたマイクロバルブ２と、各第２微細流体流路３からの流体を合流させて外部へ排出するための流体集積流路４とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、タンク等に加圧されて貯蔵されている流体を、減圧するとともに微小な所定流量に制御して取り出す超小型減圧流量制御装置に関し、特に、室温下で加圧によって液化が可能な可燃性ガスを燃料として用いる小型携帯型燃料電池の燃料供給系において、加圧された液化燃料を含有する流体を貯蔵する燃料タンクから液化燃料を減圧すると同時に微小定流量に制御して供給する超小型減圧流量制御装置に関する。

従来、ボンベ等に高圧で貯蔵された流体から所定の圧力、流量の流体を取り出す手段として、その目的に応じて多様な方法が考えられている。例えば一般的な減圧流量制御技術として、バネの力と流体圧力との平衡を利用した減圧弁でまず減圧し、次いでニードルバルブ等を用いて流量を制御する手法が広く採用されている。一方で、やや特殊な例であるが高圧流体から所望の微小流量を直接得る方法として、ゲート穴とこれに挿入されたピンとの微小な間隙を利用し、流量を制御する方法等が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、一方で流量制御の応答性と制御精度とを高めるために、流路を複数の並列流路に分割し、それぞれに全閉、中間および全開のうちの一つの状態を取り得る弁を設ける減圧流量制御技術（例えば、特許文献２参照）等も提案されている。さらに、より高精度な制御が必要とされる場合には、例えば物体の熱膨張等を利用した質量流量制御などの減圧流量制御技術が用いられる場合も増えてきている。

これらの従来技術は、高い１次側圧力を有する流体を所定の圧力にまで減圧させるとともに、数１０ｍｌ／ｍｉｎ以上の比較的大きな流量で流体を取り出す場合には極めて便利かつ有用な方法である。しかしながら、例えば１０ｍｌ／ｍｉｎ以下の微小流量で流体を扱うことを想定した場合には、これらの従来技術の制御手段として用いられる装置類は、流体の実使用流量に照らし合わせて見ると相対的に大型であり、その微小流量の流体を必要とする装置自体と比較しても不釣り合いに大型にならざるを得ない。

本発明の技術分野においても記載したように、微小流量の流体を扱う必要のあるケースの代表的な例として携帯型燃料電池システムがある。この携帯型燃料電池システムは、液体または気体状の燃料を発電部分である燃料電池に供給し、空気中の酸素等を酸化剤として用いることによって電気化学的に発電を行う装置である。このような小型の携帯型燃料電池システムは、例えばノート型パソコン等の携帯機器に電力を供給するための装置として用いられ、さらに小型の携帯機器にも用いられようとしている。

このような携帯型燃料電池システムの燃料としては、主に液体であるメタノールや水素化化合物水溶液、気体である水素、さらには液化可燃性ガス等が用いられる。メタノール等の場合は別として、水素や液化可燃性ガスを燃料に用いる場合には、燃料はタンクから高圧で供給される。しかし燃料電池自体は携帯用途であることからほぼ常圧動作であるため、これら高圧で供給された燃料を減圧し、さらに所定の微小流量にまで制御する必要がある。しかし、減圧、微小流量制御を行うために前述したような従来の減圧流量制御装置を用いようとした場合、装置の大きさが燃料電池システムと比較して非常に大型になり、携帯用途として実用化することは困難になる。

一方、近年ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）技術が進展する中、微細加工技術により製作された各種のマイクロバルブおよび流体制御素子等が数多く提案されている。例えばマイクロバルブを流路中に多数配列し、個々のマイクロバルブを制御することによって微小流量をデジタル的に精度良く制御する方法などが提示されている（例えば、非特許文献１参照）。このような手段を用いれば微小流量制御を従来の減圧流量制御装置よりもはるかに小型化した装置で実現できる利点がある。
特開昭５９−８９８９５号公報特開昭６０−１７１５０１号公報ＣｏｌｌｉｎＡ．Ｒｉｃｈ， "ＡＨｉｇｈ−ＦｌｏｗＴｈｅｒｍｏｐｎｅｕｍａｔｉｃＭｉｃｒｏｖａｌｖｅＷｉｔｈＩｍｐｒｏｖｅｄＥｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄＩｎｔｅｇｒａｔｅｄＳｔａｔｅＳｅｎｓｉｎｇ"，Ｊ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．，ｖｏｌ．１２，２０１（２００３）

前述したように旧来からの機械的な要素を用いた減圧流量制御装置は、小型化・軽量化に限界がある。このため、小型携帯型燃料電池システム、可搬型分析機器等の小型化、軽量化が困難であるという問題がある。

微細加工技術で製作したマイクロバルブを用いれば小型化が可能であるが、マイクロバルブは弁を駆動する力が弱く、従って一般的には高い圧力の流体を完全に制御できないという問題がある。すなわち、わずかな圧力（例えば４．９×１０⁴Ｐａ（０．５ｋｇ／ｃｍ²）前後）しか作用しない用途であればマイクロバルブ単独で流量等の制御が可能であるが、マイクロバルブは構造自体が微小かつ脆弱であるために、ある一定値以上に加圧された流体を制御できない。このように、わずかな圧力しか作用しない用途を除き、マイクロバルブ単独で流量の制御を行うことは難しい。特に小型燃料電池に水素や液化ガスを用いようとした場合、減圧と微小流量制御が必須となるためこれらの課題は極めて重要となってくる。

前記課題の重要性についてさらに例を挙げて説明する。ここで挙げる例は携帯型燃料電池の燃料として液化ガスを用いる場合である。燃料電池の燃料として用いることができるブタン、ジメチルエーテル等の液化ガスの圧力は、常温下で大気圧より高く、さらに温度によっても大きく変化する。例えばブタンは２５℃で２．２×１０⁵Ｐａ（２．３ｋｇ／ｃｍ²）、６０℃では６．１×１０⁵Ｐａ（６．３ｋｇ／ｃｍ²）、ジメチルエーテルの場合には２５℃で４．３×１０⁵Ｐａ（４．４ｋｇ／ｃｍ²）、６０℃では９．８×１０⁵Ｐａ（１０ｋｇ／ｃｍ²）にまでなる。携帯型燃料電池はその性格上、ほぼ大気圧で用いる場合がほとんどであるため、液化ガスを携帯型燃料電池の燃料に用いる際には液化ガスの圧力を大気圧近くにまで低減する必要がある。

ここで流量の制御量について若干の情報を提供しておく。一般に携帯型燃料電池が消費する燃料の量は小さく、例えば水素を燃料として１０Ｗの出力を得るとすると、その際の水素供給量は、電流供給時の単位セル当たりの電圧を０．７Ｖ、燃料利用率を１００％とすれば、約１００ｍｌ／ｍｉｎとなる。さらに同じ条件下、燃料としてジメチルエーテルを想定した場合、その気体での流量は１６．５ｍｌ／ｍｉｎとなりこれを液体として取り出す場合を想定するとその流量は０．０５ｍｌ／ｍｉｎと非常に微小な流量となる。こうした微小流量を従来の手法で制御する事は極めて難しい。

ここで液化ガスを液体状態で流量制御する例を述べたが、実用面でもこうした要求は大きいものがある。以下にその理由を述べる。液化ガスを携帯型燃料電池の燃料として用いる場合には燃料として液化ガスを単独に用いる場合も考えられるが、液化ガスに第二の成分を添加する場合もある。具体的には、例えば電極反応に関与する水を第二の成分として適量添加する場合等がある。このような第二の成分を液化ガスに添加した場合、液化ガスと第二の成分との混合液の組成と混合液上にある蒸気の組成とは異なるのが普通である。このため、液化ガスに第二の成分を混合した燃料を燃料電池に供給する際、液体ではなく気化したガスとして燃料タンクから燃料を取り出すと、混合液体の組成は徐々に変化することになるため好ましくない。

このような好ましくない状況を避けるためには、燃料タンクから燃料と第二成分との混合液を液体として燃料タンク外に取り出し、その後に混合液を気化する必要がある。液体として流量を制御する場合、その流量は前述のように極めて微小流量となり、従来の技術では制御して取り出すことが困難であった。

また液化ガスは前述のように、周囲温度によって蒸気圧が大きく変化するため、液化ガスを収納するタンク等から周囲の温度変化に関わらず所定の流量を取り出すことが困難になっている。

超小型の装置で微小流量を制御するという観点からのみ考えれば、微細加工を用いて製作されたマイクロバルブ等を流体の制御に用いることで前記の課題を解決することが可能と思われる。しかしながら、微細加工で製作されたマイクロバルブは大きな圧力差に耐えることができないという課題があるため、小型携帯型燃料電池システムや、可搬型分析機器等に使用できる小型、軽量の流量制御装置の実現が困難になっていた。

本発明の目的は、極めて小型の構成によって、加圧された流体を微小定流量の流量に制御し、供給することを可能にする超小型減圧流量制御装置を提供することにある。

本発明に係る超小型減圧流量制御装置は、流体を流して前記流体の圧力を低減させる第１微細流体流路と、前記第１微細流体流路に連結され、前記第１微細流体流路からの前記流体を流すためのＮ本（Ｎは２以上の整数）の第２微細流体流路と、各第２微細流体流路に設けられたマイクロバルブと、各第２微細流体流路からの前記流体を合流させて外部へ排出するための流体集積流路とを備えることを特徴とする。

ここで「マイクロバルブ」とは、微細加工技術を用いて作製された数ミリ角程度以下の微小なバルブをいう。

本発明によれば、極めて小型の構成によって、加圧された流体を微小定流量の流量に制御し、供給することを可能にする超小型減圧流量制御装置を提供することができる。

本実施の形態に係る超小型減圧流量制御装置では、流体を流して流体の圧力を低減させる第１微細流体流路が設けられる。このため、第１微細流体流路に並列に連結され、第１微細流体流路からの流体を流すためのＮ本（Ｎは２以上の整数）の第２微細流体流路のそれぞれに設けられたマイクロバルブに流入する流体の圧力を低減することができる。その結果、マイクロバルブを用いて微小流量を制御できる超小型減圧流量制御装置を提供することができる。

この実施の形態では、前記第１微細流体流路は、前記流体が流入する流体入口に連結され、前記流体集積流路は、前記流体が排出される流体出口に連結され、前記流体入口と前記流体出口との少なくとも一方に開閉弁が設けられることが好ましい。マイクロバルブを「閉」にしても流体がわずかにリークする可能性がある。上記の好ましい実施の形態によれば、流体入口又は流体出口に開閉弁を設けることにより、マイクロバルブでのリークの有無にかかわらず、流体の流れを完全に停止させることが容易に実現できる。

各第２微細流体流路の流路断面積をＡｎ（１≦ｎ≦Ｎ）とし、各第２微細流体流路の流路断面積Ａｎの総和Ａ＝Ａ１＋Ａ２＋…＋Ａｎとし、前記第１微細流体流路の流路断面積をＢとしたとき、Ａ≧Ｂなる関係を満足することが好ましい。これにより、マイクロバルブよりも上流側である第１微細流体流路において流体の圧力を十分に低減することができるので、マイクロバルブに過大な圧力が作用してマイクロバルブが破壊されるのを防止できる。また、第１微細流体流路の入口での流体の圧力は比較的大きいから、第１微細流体流路の流路断面積Ｂを相対的に小さくしても、必要な流量を確保することができる。

前記第１微細流体流路および各第２微細流体流路は、少なくとも２ヶ所のＵ字形屈曲部を有する蛇行形状を有していることが好ましい。より狭い面積で流路の全長を長くできるため、より狭い面積で流体の圧力を低減することができる。

各マイクロバルブは、各第２微細流体流路の最上流部に設けられることが好ましい。マイクロバルブ近傍の上流側と下流側とで圧力差が大きいと、マイクロバルブが破壊される可能性が増大する。マイクロバルブを各第２微細流体流路の最上流部に設けると、流体が流れている状態において、マイクロバルブに対して上流側の第１微細流体流路と下流側の第２微細流体流路とで流体の圧力が適度に降下するので、マイクロバルブ近傍での圧力変化がなだらかになる。従って、マイクロバルブの破壊の可能性を低減することができる。

前記第１微細流体流路に設けられ、温度の上昇に応じて熱膨張して前記第１微細流体流路の断面積を減少させる温度補償部材をさらに備えることが好ましい。周囲温度が上昇し、それによって第１微細流体流路に流入する流体の圧力が上昇した場合にも、第１微細流体流路の断面積を減少させることにより圧力の低減度合いを増加させることができ、第１微細流体流路からマイクロバルブに流入する流体の圧力の上昇を最小限に抑えることができる。このため、超小型減圧流量制御装置により制御される流量に対する温度変化の影響を小さくすることができる。

前記第２微細流体流路に設けられ、温度の上昇に応じて熱膨張して前記第２微細流体流路の断面積を減少させる温度補償部材をさらに備えることが好ましい。これにより、第１微細流体流路に設けられた温度補償部材の寸法精度を緩和できる。また、温度変化による流量変化を一層小さく抑えることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。なお、以下に示された具体例は本発明の一例に過ぎず、本発明はこのような具体例に限定されない。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る超小型減圧流量制御装置１００の使用状況を説明するためのブロック図である。タンク４０１には、液化ブタン４０２が貯蔵され、タンクの下部に設けられた出口から内圧により超小型減圧流量制御装置１００に液化ブタン４０２が供給される。超小型減圧流量制御装置１００は、供給された液化ブタン４０２を減圧して微小流量に制御し、燃料電池４０４に供給する。

図２は、超小型減圧流量制御装置１００の構成を模式的に示す概念図である。流体流入口５から蛇行形状をして伸びる第１微細流体流路１が設けられる。流体流入口５は、直径１ｍｍの穴であり、基板を貫通し裏側には流体供給源であるタンク４０１と接続されたガラス製の微小管が取り付けられている。第１微細流体流路１には、外部からの操作信号により開閉することができる開閉弁７が設けられる。第１微細流体流路１には、蛇行形状をして伸びる同じ形状の８本の第２微細流体流路３が並列に連結される。各第２微細流体流路３の最上流部には、微細加工によって作成設置され外部からの操作信号により開閉するマイクロバルブ２がそれぞれ設けられる。各第２微細流体流路３には、各第２微細流体流路３からの流体を合流させて外部へ排出するための流体集積流路４が連結される。流体集積流路４は、流体を排出する流体出口６に連結される。

図３は、超小型減圧流量制御装置１００の構成を模式的に示す断面図である。超小型減圧流量制御装置１００は、縦横１０×２０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍのシリコン基板２０４と、シリコン基板２０４上に接合された厚さ０．５ｍｍのシリコン基板２０３と、シリコン基板２０３上に接合された厚さ０．５ｍｍのシリコン基板２０２と、シリコン基板２０２上に接合された厚さ１ｍｍのガラス基板２０１とを有する。

開閉弁７は、小型の電磁弁によって構成される。この電磁弁はノーマルクローズであり、電力が供給されない状態ではバネの力によってオリフィス穴を完全に塞ぐ構造となっており、ある程度の圧力を有する流体をほぼ完全に封止できる能力を有する。

前述した第１微細流体流路１は、シリコン基板２０２の表面上にエッチングにより形成され、断面形状はほぼ台形である。第１微細流体流路１は、幅、深さがともに約５０μｍであり、流路全体は図２に示すように蛇行（サーペンタイン）形状をなしており流路の全長は約１０ｍｍである。

第２微細流体流路３は、シリコン基板２０４の表面上に形成され、深さ幅ともに約２０μｍである。流路全体は蛇行（サーペンタイン）形状で形成され、流路全長は約１０ｍｍである。第２微細流体流路３の流路断面積は０．２ｍｍ²以下であることが好ましい。

これらの流路および必要な貫通穴等は、まずシリコン基板等にパターン化したマスキングを施し、その後エッチングすることにより作成した。これら基板は後述するマイクロバルブを形成するための微細加工も終了した段階で、相互に陽極接合等の手法により貼り合わされて一体化した構成体となる。

マイクロバルブには種々の構造のものが提案されているが、本実施の形態で用いたものは液体の気化膨張圧力を応用したタイプである。本実施の形態で用いたマイクロバルブ２を、図４に示したマイクロバルブの断面図を参照しながら説明する。シリコン基板２０３にエッチングにより形成したセル３０１内には作動液体３０２が封入されている。セル３０１の大きさは直径が約６００μｍであり、セル３０１の上部には、エッチング制御により残留させた厚さ約１０μｍのシリコンのダイアフラム３０３が形成される。ダイアフラム３０３の中央には厚さ４０μｍ、直径２００μｍの下方への突起部３０８が残してあり、オリフィス３０４と接する面を補強するとともにダイアフラム３０３を平坦に保つ。

セル３０１に対向するシリコン基板２０４の表面には、白金をパターニングしてスパッタ製膜して形成したヒーター３０５が配置してあり、ヒーター３０５は図示しない外部端子に接続される。

これらの構成要素を組み立てるに当たっては、まず、マスキングおよびエッチング、スパッタ製膜等の手法を用いて必要な微細加工をシリコン基板２０２、２０３、２０４およびガラス基板２０１の各基板に施した。次いで、これらの基板を陽極接合および接着の手法により張り合わせて一体構造体とした。そして、微細孔３０６からセル３０１内に作動液体３０２としてｎ−ペンタンを所定量導入し、導入後に微細孔３０６を樹脂３０７で封止した。微細孔３０６から微量の作動液体３０２を導入する方法としては、作動液体３０２の蒸気で満たされた容器中に前記の張り合わせ一体構造体を置き、所定温度に所定時間保持する方法を用いた。

このようにして製作したマイクロバルブ２は、ヒーター３０５に電力が供給されていない状態ではオリフィス３０４が開となるため、流体がオリフィス３０４を通過し、第２微細流体流路３に流れていくことができる。作動用の図示しない外部端子に電力が供給されると、ヒーター３０５の加熱により作動液体３０２の蒸気圧が上昇し、その圧力によりダイアフラム３０３が変形し、流体の通るオリフィス３０４が塞がれるため、流体はオリフィス３０４から第２微細流体流路３に流れ出ることができない。

本実施の形態で用いたマイクロバルブ２は前述したように作動液体３０２の蒸気圧を利用した方式であるため、ダイアフラム３０３の可動距離が大きく、弁を閉じる能力が比較的優れている。従って低圧の流体に対しては、リーク量を許容可能な低レベルに抑えることが可能である。

次に、この超小型減圧流量制御装置１００を、実際に加圧流体に接続した際の動作を説明する。

本実施の形態では、加圧された流体として、小型ボンベである図１のタンク４０１に貯蔵された液化ブタン４０２を用いた。圧力はゲージで約１．９×１０⁵Ｐａ（約２ｋｇ／ｃｍ²）である。まず各マイクロバルブ２に所定の電力（約１５０ｍＷ）を供給し、作動液体３０２を気化させて弁を閉状態とした。その後、超小型減圧流量制御装置１００の流体入口５に液化ブタン４０２を供給した。液状のブタンを供給するため、タンク４０１は図１に示すように出口を下方に向け、タンク４０１の内圧で液化ブタン４０２が供給されるようにした。

マイクロバルブ２は全て閉状態ではあるが、マイクロバルブ２には若干の漏れがあるためブタンは流体出口６から微量に流れ出る。なおブタンは液体で供給されているが、第１微細流体流路１の途中から圧力が低下するため液体状態を保てなくなり、気化しガスとして流れる。このため、第１微細流体流路１の終端近辺では液化ブタン４０２は完全にガス化している。換言すればこの第１微細流体流路１は液化ガスを気化するとともに減圧する作用を有する。さらに言えば第１微細流体流路１は加圧流体が供給された際に高圧流体がマイクロバルブ２に直接突入し、マイクロバルブ２の微細な構造を破壊する事を未然に防ぐ役割も果たす。なお、最終的な流体出口６での流量は液化ガスに換算して約０．０１ｍｌ／ｍｉｎの流量であった。

次に、８個あるマイクロバルブ２を１個ずつ開状態として流量を測定した。その結果、マイクロバルブ２が１個開の状態では、リーク量と合わせて０．０３ｍｌ／ｍｉｎの流量が観測された。以降、開とするマイクロバルブの数が増加するに従って流量はステップ状に増加し、全てのマイクロバルブ２が開となった状態では０．１５ｍｌ／ｍｉｎの流量が観測された。いずれの場合も液化ガスは第１微細流体流路１内で気化し、マイクロバルブ２を通過する際にはガスとして通過していた。

以上のように実施の形態１に係る超小型減圧流量制御装置１００では、流体を流して流体の圧力を低減させる第１微細流体流路１と、第１微細流体流路１に連結され、第１微細流体流路１からの流体を流すための８本の第２微細流体流路３と、各第２微細流体流路３にそれぞれ設けられたマイクロバルブ２と、各第２微細流体流路３からの流体を合流させて外部へ排出するための流体集積流路４とが設けられる。かかる構成によれば、第１微細流体流路１において圧力を有する流体の圧力が低減され、さらに第２微細流体流路３においても圧力が低減される。このため流量を制御する主たる役割を有するマイクロバルブ２の前後では大きな圧力差を生ずることがない。従って、大きな圧力差に対して抵抗力の弱いマイクロバルブ２を使用することができる。このような構成とすることにより、加圧流体を減圧しつつ極めて微小な流量に制御して取り出すことのできる装置を非常に小型化した形で実現することができる。

実施の形態１の構成によれば、流体流入口５から供給された加圧流体は、第１微細流体流路１を流れる過程において第１微細流体流路１の側壁との摩擦によりその圧力を低減される。次いで加圧流体は開状態にあるマイクロバルブ２を通過して第２微細流体流路３を流れていくが、その過程でも微細流体流路側壁との摩擦によって圧力損失が発生し、これによって流体の圧力は低減される。

ここで流路に沿った圧力変化を追っていくと、流体流入口５での流体の圧力をＰ１、マイクロバルブ２直近の上流での圧力をＰ２、マイクロバルブ２直近の下流での圧力をＰ３、流体出口６での圧力をＰ４（ほぼ大気圧に近い）とすると、第１，第２微細流体流路１，３を通過する際の圧力損失が大きいため、流体流入口５での圧力Ｐ１と流体出口６での圧力Ｐ４との圧力差のほとんどは、第１微細流体流路１での圧力損失と第２微細流体流路３での圧力損失との和と等しくなる。従って、マイクロバルブ２の前後の圧力差（Ｐ２−Ｐ３）は極めて小さい値となる。一方で、第１，第２微細流体流路１，３が無い場合を想定すると入口Ｐ１と出口Ｐ４の圧力差のほとんどがマイクロバルブ２の前後にかかってくるため、マイクロバルブ２の弁としての機能が不完全になるばかりか、場合によってはマイクロバルブ２の弁の破壊をもたらすこととなる。

実施の形態１に係る超小型減圧流量制御装置において、流量は、マイクロバルブ２が開となっている第２微細流体流路３を流れる流量の総和として、ステップ状に非連続的に制御される。ただし、現実にはマイクロバルブ２の構造によっては若干のリークが発生する場合もあるため、こうした場合には、マイクロバルブ２が開となっている第２微細流体流路３の数に応じた流量とリーク量との和で、超小型減圧流量制御装置で制御される流量が決まるが、いずれにせよ実施の形態１の超小型減圧流量制御装置によれば、極めて微小な流量の流体を高圧の流体から直接取り出すことが可能となる。

本実施の形態の構成をとることによって、減圧流量制御装置を著しく小型化する事が可能になる。また加圧流体の圧力変動がなければ、微小流量域であるにもかかわらず高精度に流量を制御することが可能となる。また第１微細流体流路１の断面積および各第２微細流体流路３の断面積を適正に設定することにより、流体が第１，第２微細流体流路１，３を通過する過程で圧力・流量を適度に低減する効果が得られるため、流体の突入や大きな圧力差等によってマイクロバルブ２が破壊されることは無くなる。

なお、本実施の形態において、マイクロバルブ２の方式として作動液体とその蒸気圧を利用する方式を用いたが、これは他の方式によるマイクロバルブであっても良い。また微細流体流路、マイクロバルブ等の微細加工手法、寸法等に関しても本実施の形態に限定されるものではなく、個々の仕様に合わせて随時変更しても、本発明による効果を得ることができる。またマイクロバルブ２の設置位置は、本実施の形態のように第１微細流体流路１から第２微細流体流路３に流路が分岐した直後にすることが望ましいが、流体の特性、設定流量その他の条件によっては第２微細流体流路３の、より下流側にマイクロバルブ２を設けても良い。また第１，第２微細流体流路１，３の形状に関しても本実施の形態では双方とも蛇行（サーペンタイン）形状であったが、これは他の形状例えば直線状や、渦巻き状であっても良い。

（実施の形態２）
図５は、実施の形態２に係る超小型減圧流量制御装置１００Ａの構成を模式的に示す概念図である。基本的な構成は前述した実施の形態１と同様であるが、異なるのは第１微細流体流路１Ａの一部の流路壁が温度補償部材８の側面で形成されている点である。図５の中の部分６Ａを拡大した詳細を図６（Ａ）に示す。図６（Ｂ）は図６（Ａ）における線６Ｂ−６Ｂに沿った断面図を示す。実施の形態１で前述した構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図５、図６（Ａ）および図６（Ｂ）を参照すると、シリコン基板２０２にはエッチング加工等により第１微細流体流路１Ａが形成される。第１微細流体流路１Ａの流路部分５０５では、対向する２つの流路側壁がシリコン基板２０２によって構成されるが、流路部分５０２Ａおよび５０２Ｂでは、一方の側壁がシリコン基板２０２によって構成され、他方の側壁が温度補償部材８によって構成される。この一方の側壁が温度補償部材８で構成される流路部分５０２Ａおよび５０２Ｂは、流路部分５０５と同じ深さである。シリコン基板２０２に、流路部分５０５の幅Ｗ１よりも広い幅Ｗ２を有する凹部５０３を形成し、その凹部５０３に温度補償部材８を配置することによって流路部分５０２Ａおよび流路部分５０２Ｂを形成している。このようにして形成された流路部分５０２Ａ、５０２Ｂは、幅Ｗ３、Ｗ４が４０μｍ、深さは６０μｍであり、温度補償部材８には厚さ５０μｍ、幅０．８ｍｍ、長さ６ｍｍのポリイミドシートを用いている。

温度補償部材８は、図５に示すように長辺の一方の端部５０４でシリコン基板２０２に接着固定されているが、他の部分は拘束されていない。このため温度補償部材８は周囲温度の変化により熱膨張、収縮することができ、温度が高くなると主に図６（Ａ）に示す矢印５０６および矢印５０７の方向に沿った温度補償部材８の熱膨張による寸法増加が観測される。実施の形態２の場合、温度が５０℃上昇すると温度補償部材８は矢印５０６の方向に約２０μｍ伸長する。一方、シリコン基板２０２の線熱膨張係数は温度補償部材８のそれの約１／３０であるため、温度による寸法変化は温度補償部材８よりもはるかに小さい。このため、図６（Ａ）に示す第１微細流体流路１Ａの横方向の流路部分５０２Ａの流路幅Ｗ３は大きく減少し、流体に対する流れ抵抗は大きくなり、流体の圧力は減少する。矢印５０７の短辺方向の伸長は３μｍと小さいが、流路幅Ｗ４が変化する流路部分５０２Ｂの流路長が比較的長いために流路部分５０２Ｂも流体の圧力減少に寄与することができる。

ここで液化ジメチルエーテルを用い、周囲温度が変化した場合の実施の形態２の超小型減圧流量制御装置１００Ａからの流量制御に与える影響を試験した。試験方法は実施の形態１と同様に、タンク４０１から液化ジメチルエーテルを実施の形態２の超小型減圧流量制御装置１００Ａに直接供給した。周囲温度２５℃の場合はタンク４０１での内圧は４．３×１０⁵Ｐａ（４．４ｋｇ／ｃｍ²）であった。流体出口６で測定したマイクロバルブ２が全閉時のリークによる流量は液体換算で０．０１ｍｌ／ｍｉｎであった。また８個のマイクロバルブ２を全部開とした場合には０．０５ｍｌ／ｍｉｎの流量であった。

ここで超小型減圧流量制御装置１００Ａ一式を恒温槽に入れ周囲温度６０℃で試験を行った。タンク４０１の内圧は９．８×１０⁵Ｐａ（１０ｋｇ／ｃｍ²）であった。流体出口６で測定したマイクロバルブ２が全閉時のリークによる流量は液体換算で０．０２ｍｌ／ｍｉｎ、８個のマイクロバルブ２を全部開とした場合には０．０７ｍｌ／ｍｉｎの流量であった。温度補償部材８を持たない構成の超小型減圧流量制御装置では周囲温度の上昇による圧力増化の影響を直接受けるため、マイクロバルブ２が全開で０．１１ｍｌ／ｍｉｎと流量が増大した。

以上のように実施の形態２の超小型減圧流量制御装置１００Ａでは、第１微細流体流路１Ａの一部に著しく広い流路幅Ｗ２を有する幅広部分を形成し、この幅広部分に、第１微細流体流路１Ａを形成している素材よりも大きな熱膨張係数を有する材料からなり、厚みが第１微細流体流路１Ａの深さと同等以下であり、第１微細流体流路１Ａの他の部分とほぼ同等の流路幅Ｗ３、Ｗ４を残す縦・横寸法を有する温度補償部材８を端部５０４で固定して配置してある。

このような構成とすることにより、周囲温度が上昇すると第１微細流体流路１Ａの流路部分５０２Ａ、５０２Ｂの断面積が減少し、従って流体が流路部分５０２Ａ、５０２Ｂを流れる際、大きくなった圧力損失により流体の圧力減少の度合いを増加させることができる。こうした構成により、液化ガスを貯蔵するタンクの周囲温度が上昇し、それによって流体の圧力が大きくなった場合にも、第１微細流体流路１Ａを通過した流体の温度による圧力上昇を最小限に押さえ込むことができ、従って流量に対する温度の影響を小さくすることが可能な超小型減圧流量制御装置が実現できる。

実施の形態２においては温度補償部材８による流路断面積の温度による制御機構を第１微細流体流路１Ａにのみ設置しているが、これを各第２微細流体流路３に設置しても良い。温度補償部材８を第１微細流体流路１Ａに加えて第２微細流体流路３にも設置することにより以下のような効果が得られる。

第１に、第１微細流体流路１Ａに設置した温度補償部材８の寸法精度を緩和できる。温度補償部材を第１微細流体流路１Ａに加えて第２微細流体流路３にも設置した場合は、第１微細流体流路１Ａのみに設置した場合に比べて、温度補償部材によって形成される流路部分の長さが長くなる。従って、温度補償部材を第１微細流体流路１Ａに加えて第２微細流体流路３にも設置した場合における温度変化による流量変化を、第１微細流体流路１Ａのみに設置した場合におけるそれと同じにするためには、温度補償部材によって形成される流路部分の長さの増加分に応じて、例えば温度補償部材８によって形成される流路部分５０２Ａ，５０２Ｂの幅Ｗ３，Ｗ４の寸法精度を緩和することができる。なぜなら、幅Ｗ３，Ｗ４に関する寸法精度の緩和を温度補償部材によって形成される流路部分の長さの精度を上げることで補償できるからである。

第２に、温度変化によってタンク４０１内の圧力変動が大きい場合であっても流量変化を小さく抑えることができる。なぜなら、温度補償部材を第１微細流体流路１Ａに加えて第２微細流体流路３にも設置した場合は、第１微細流体流路１Ａのみに設置した場合に比べて、温度補償部材によって形成される流路部分の長さが長くなるから、温度変化による圧力変動を補償する能力が向上するからである。

また、温度補償部材８の数、形状も前述した例に限定されるものではない。温度補償部材８として使用する材料も本例のポリイミド以外の材料であっても良く、また温度補償部材８の線膨張を拡大・縮小する例えばテコのような機構を併設したものであっても良い。

本発明に係る超小型減圧流量制御装置は、超小型化が可能である上、微小流量を精度高く制御することができる。従って、超小型であるため特に携帯性に優れ、加圧された流体から定流量の流体を取り出す必要のある用途に広く応用する事が可能である。具体的には、例えば携帯型燃料電池発電システムにおいて、加圧状態にある燃料タンクから一定量の燃料を燃料電池に供給する用途、および小型携帯ガスクロマトグラフィーのキャリア流体の制御供給部等にも応用できる。その他、医療関係等も含めた可搬型機器において圧力を有する流体を減圧しつつ一定流量の流体を取り出して供給する必要のある用途に広く用いることができる。

本発明の実施の形態１に係る超小型減圧流量制御装置の使用状況を説明するためのブロック図である。本発明の実施の形態１に係る超小型減圧流量制御装置の構成を模式的に示す概念図である。本発明の実施の形態１に係る超小型減圧流量制御装置の構成を模式的に示す断面図である。本発明の実施の形態１に係る超小型減圧流量制御装置に設けられたマイクロバルブの構成を説明するための断面図である。本発明の実施の形態２に係る超小型減圧流量制御装置の構成を模式的に示す概念図である。（Ａ）は図５に示す部分６Ａの拡大図であり、（Ｂ）は（Ａ）の線６Ｂ−６Ｂに沿った断面図である。

符号の説明

１，１Ａ第１微細流体流路
２マイクロバルブ
３第２微細流体流路
４流体集積流路
５流体入口
６流体出口
７開閉弁
８温度補償部材
１００，１００Ａ超小型減圧流量制御装置

Claims

流体を流して前記流体の圧力を低減させる第１微細流体流路と、
前記第１微細流体流路に連結され、前記第１微細流体流路からの前記流体を流すためのＮ本（Ｎは２以上の整数）の第２微細流体流路と、
各第２微細流体流路にそれぞれ設けられたマイクロバルブと、
各第２微細流体流路からの前記流体を合流させて外部へ排出するための流体集積流路とを備えることを特徴とする超小型減圧流量制御装置。
前記第１微細流体流路は、前記流体が流入する流体入口に連結され、
前記流体集積流路は、前記流体が排出される流体出口に連結され、
前記流体入口と前記流体出口との少なくとも一方に開閉弁が設けられる請求項１に記載の超小型減圧流量制御装置。
各第２微細流体流路の流路断面積をＡｎ（１≦ｎ≦Ｎ）とし、
各第２微細流体流路の流路断面積Ａｎの総和Ａ＝Ａ１＋Ａ２＋…＋Ａｎとし、
前記第１微細流体流路の流路断面積をＢとしたとき、
Ａ≧Ｂ
なる関係を満足する請求項１に記載の超小型減圧流量制御装置。
前記第１微細流体流路および各第２微細流体流路は、少なくとも２ヶ所のＵ字形屈曲部を有する蛇行形状を有している請求項１に記載の超小型減圧流量制御装置。
各マイクロバルブは、各第２微細流体流路の最上流部に設けられる請求項１に記載の超小型減圧流量制御装置。
前記第１微細流体流路に設けられ、温度の上昇に応じて熱膨張して前記第１微細流体流路の断面積を減少させる温度補償部材をさらに備える請求項１に記載の超小型減圧流量制御装置。
前記第２微細流体流路に設けられ、温度の上昇に応じて熱膨張して前記第２微細流体流路の断面積を減少させる温度補償部材をさらに備える請求項１に記載の超小型減圧流量制御装置。