JP2006227853A - マイクロ流量分配コントロール装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 所望の比率の流量で流体を分配することができるマイクロ流量分配コントロール装置を実現することにある。
【解決手段】 本発明は、入力側流路を流れる流体を、複数のマイクロ流路に分配するマイクロ流量分配コントロール装置に改良を加えたものである。本装置は、マイクロ流路に設けられ、流量を測定する流量センサと、この流量センサの上流側または下流側のマイクロ流路に設けられるバルブと、流量センサの測定結果によってバルブの調整を行う調整手段とを設けたことを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、１本の入力側流路が複数のマイクロ流路に分岐され、入力側流路を流れる流体を、入力側流路を流れる流体を、複数のマイクロ流路に分配するマイクロ流量分配コントロール装置に関するものであり、詳しくは、所望の比率の流量で流体を分配することができるマイクロ流量分配コントロール装置に関するものである。

マイクロ流量分配コントロール装置は、マイクロプラント等において、例えば、チップ上に設けられたマイクロリアクタをナンバリングアップする場合、つまり、マイクロリアクタを積層して並列に設け、各マイクロリアクタに流体を分配する場合等に用いられる（例えば、特許文献１、２参照）。

図３は、従来のマイクロ流量分配コントロール装置を示した構成図である（例えば、非特許文献１参照）。図３において、入力側流路Ｆｉからの流体は、複数の流路Ｆ（１）〜Ｆ（４）に分配され、後段の図示しない各マイクロリアクタに供給される。

そして、入力側流路Ｆｉの断面積形状を、例えば、入力側から遠くなる（図３中、流路Ｆ（４）側）ほど断面積を小さくすることにより、各流路Ｆ（１）〜Ｆ（４）に分配される流体の流量をコントロールしている。

特開２００２−１６３０２２号公報 特開２００３−８４００１号公報 O.Tonomura, S.Hasebe,etc,"CFD-based optimal design of manifold in plate-fin microdevices", Chemical Engineerig Journal,(2004), Vol. 101, pp.397-402

このように入力側流路Ｆｉの分岐点の流路形状を工夫することにより、各流路Ｆ（１）〜Ｆ（４）への分配比率を等しくしている。具体的には、入力側流路Ｆｉの断面積比率を変えることにより、各流路Ｆ（１）〜Ｆ（４）の圧力損失を等しくしている。

しかしながら、入力側流路Ｆｉの断面積比率を変えて分配比率を制御しているため、分配比率を変更することが困難であった。また、流体の粘性が変わると、分配比率も変わってしまう。さらに、流体の粘性は、温度依存性もあるので温度が変わっただけでも分配比率が変わってしまう。そして、温度を管理したとしても流体の種類が異なれば、分配比率が変わってしまうという問題があった。

そのため、流体の種類、流体の粘性、分配比率ごとに入力側流路Ｆｉの形状を設計して製作し、新たな装置の用意が必要になるという問題があった。

さらに、断面積形状を複雑な形状とするため、分岐点で大きなデッドボリュームが発生するという問題もあった。

そこで本発明の目的は、所望の比率の流量で流体を分配することができるマイクロ流量分配コントロール装置を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
入力側流路を流れる流体を、複数のマイクロ流路に分配するマイクロ流量分配コントロール装置において、
前記マイクロ流路に設けられ、流量を測定する流量センサと、
この流量センサの上流側または下流側の前記マイクロ流路に設けられるバルブと、
前記流量センサの測定結果によって前記バルブの調整を行う調整手段と
を設けたことを特徴とするものである。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
前記入力側流路および前記マイクロ流路となる溝が形成される第１の基板と、
前記溝が形成された側の前記第１の基板に貼り合わされて流路を形成する第２の基板と
を設け、前記第１または第２の基板の少なくとも一方が、透明部材であることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、
透明部材は、ガラスまたはプラスチックであることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、
流量センサは、
前記マイクロ流路に設けられる伝熱手段と、
前記マイクロ流路上であって前記伝熱手段から等間隔の位置に設けられた上流側および下流側の温度検出手段と
を設け、前記温度検出手段で検出された温度の温度差に基づいて流量を求める熱式流量センサであることを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１〜４によれば、流量センサが、分配後の流量を測定し、調整手段が、流量センサの測定結果にしたがって、バルブの開閉状態を調整して圧力損失を調整するので、各マイクロ流路に流入する流体の流量を制御することができる。これにより、オンラインで所望の比率の流量で流体を分配することができる。従って、流体の種類、流体の粘性、性状等が変化しても、設定した比率で流体を分配することができる。

また、調整手段が、流量センサの測定結果にしたがって、バルブの開閉状態を調整して圧力損失を調整するので、入力側流路からマイクロ流路に分岐する部分の形状を簡素化することができる。これにより、大きなデッドボリュームが発生しない。

請求項２、３によれば、第１、第２の基板の少なくとも一方を透明部材にするので、入力側流路、マイクロ流路内部を観察することができる。これにより、入力側流路、マイクロ流路が詰まったとしても、外観から容易に観察することができる。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の第１の実施例を示した構成図であり、図１（ａ）は平面図であり、図１（ｂ）はＡ−Ａ’の断面図である。図１において、ガラスチップ１０は、ガラス基板１０ａ、１０ｂが貼り合わされ、流体の流入口１１、入力側流路１２、分岐部１３、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）、流出口１５（１）〜１５（５）を有する。

ガラス基板１０ａは、第１の基板であり、入力側流路１２、分岐部１３、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）となる溝が形成される。ガラス基板１０ｂは、第２の基板であり、溝が形成された側のガラス基板１０ａに貼り合わされて、入力側流路１２、分岐部１３、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）を形成する。もちろん、ガラス基板１０ａ、１０ｂは、透明部材なので、入力側流路１２、分岐部１３、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）を直接観察することができる。また、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）は、図１に示すように接液部分が全てガラスで構成されている。

流入口１１は、流体が供給される。入力側流路１２は、流入口１１からの流体が流れる。分岐部１３は、１本の入力側流路１２を分岐し、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）に流体を流す。流出口１５（１）〜１５（５）は、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）それぞれに設けられ、分岐された流体を外部に吐出する。なお、入力側流路１２、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）の大きさは、数［μｍ］〜１［ｍｍ］程度である。

バルブ１６（１）〜１６（５）は、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）それぞれに設けられる。流量センサ１７（１）〜１７（５）は、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）それぞれに設けられ、流量を測定する。なお、バルブ１６（１）〜１６（５）は、流量センサ１７（１）〜１７（５）の上流側の近傍に設けられる。

調整手段２０は、流量センサ１７（１）〜１７（５）の測定結果によって、バルブ１６（１）〜１６（５）の開閉を調整する。

このような装置の動作を説明する。
まず流体が流れる動作から説明する。
流体（液体、気体）が流入口１１から供給され、入力側流路１２を流れて分岐部１３で各マイクロ流路１４（１）〜１４（５）に流体が分配される。このさい、各マイクロ流路１４（１）〜１４（５）に流入する流量の分配比率が、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）に設けられたバルブ１６（１）〜１６（５）で調整された圧力損失に依存する。そして、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）を流れてきた流体が、流出口１５（１）〜１５（５）から吐出され、後段の図示しないマイクロリアクタ等に供給される。

次に流量を調整する動作を説明する。
流量センサ１７（１）〜１７（５）のそれぞれが、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）を流れる流体の流量を測定する。そして、調整手段２０が、図示しないメモリからマイクロ流路１４（１）〜１４（５）の流量比率の設定を読み出す。さらに、流量センサ１７（１）〜１７（５）からの測定結果より、設定された流量比率となるように、バルブ１６（１）〜１６（５）の開閉状態を調整し、圧力損失を調整する。この圧力損失の比率により、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）の流量比率を設定された値にする。

マイクロ流路１４（１）〜１４（５）の流量比率を変更する場合は、図示しないメモリの設定を変更して調整手段２０に再度読み込ませ、バルブ１６（１）〜１６（５）を調整させる。

ここで、図２は、流量センサ１７（１）〜１７（５）の一例（熱式流量センサ）を示した構成図であリ、図１と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。また、流量センサ１７（１）〜１７（５）は同じものなので、流量センサ１７（１）のみを図示して説明する。そして、図２（ａ）は平面図であり、図２（ｂ）はＢ−Ｂ’の断面図である。

図２において、伝熱手段１７ａは、ヒータ等であり、マイクロ流路１４（１）に接しない側のガラス基板１０ｂ上であって、マイクロ流路１４（１）上に位置する部分に蒸着等によって形成される。

温度検出手段１７ｂ、１７ｃは、サーミスタや白金等測温抵抗体等であり、マイクロ流路１４（１）に接しない側のガラス基板１０ｂ上であって、マイクロ流路１７（１）上に位置する部分に蒸着等によって形成される。また、温度検出手段１７ｂ、１７ｃは、伝熱手段１７ａから等間隔の位置に設けられる。従って、伝熱手段１７ａ、温度検出手段１７ｂ、１７ｃは、非接液の状態にある。

演算制御手段１７ｄは、温度検出手段１７ｂ、１７ｃの出力が入力され、温度制御のための制御信号を伝熱手段１７ａに出力し、温度検出手段１７ｂ、１７ｃで検出された温度の温度差に基づいて流量を求め、求めた流量を調整手段２０に出力する。

図２に示す熱式流量センサの動作を説明する。
演算制御手段１７ｄが、予め測定された流体の温度に対して、流体が数度程度高い一定温度になるように伝熱手段１７ａを制御する。

そして、このような状態では、上流側の温度検出手段１７ｂおよび下流側の温度検出手段１７ｃで検出される温度の温度差は流体の流量に依存した信号となるので、演算制御手段１７ｄが、このような温度差に基づいてマイクロ流路１４(１)を流れる流体の流量を求める。

このように、流量センサ１７（１）〜１７（５）が、分配後の流量を測定し、調整手段２０が、流量センサ１７（１）〜１７（５）の測定結果にしたがって、バルブ１６（１）〜１６（５）の開閉状態を調整して圧力損失を調整するので、各マイクロ流路１４（１）〜１４（５）に流入する流体の流量を制御することができる。これにより、オンラインで所望の比率の流量で流体を分配することができる。従って、流体の種類、流体の粘性、性状等が変化しても、設定した比率で流体を分配することができる。

また、調整手段２０が、流量センサ１７（１）〜１７（５）の測定結果にしたがって、バルブ１６（１）〜１６（５）の開閉状態を調整して圧力損失を調整するので、分岐部１３の形状を、図３に示すように複雑な形状とせずに簡素化することができる。これにより、大きなデッドボリュームが発生しない。

そして、従来、流路１２、１４（１）〜１４（５）は、金属等で作成されることが多いが、基板１０ａ、１０ｂに透明なガラスを用いるので、流路１２、１４（１）〜１４（５）内部を観察することができる。これにより、流路１２、１４（１）〜１４（５）が詰まったとしても、外観から容易に観察することができる。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
入力側流路１２を５本のマイクロ流路１４（１）〜１４（５）に分岐する構成を示したが、何本に分岐してもよい。

バルブ１６（１）〜１６（５）を、流量センサ１７（１）〜１７（５）の上流側に設ける構成を示したが、下流側に設けてもよい。

バルブ１６（１）〜１６（５）、流量センサ１７（１）〜１７（５）をマイクロ流路１４（１）〜１４（５）それぞれに設ける構成を示したが、流量の制御が必要な流路のみに設けてもよい。例えば、マイクロ流路１４（１）〜１４（３）だけに設ける構成にしてもよい。

基板として、ガラス基板１０ａ、１０ｂを設ける構成を示したが、プラスチックでもよく、要は、透明部材であればよい。また、第１、第２の基板のいずれか一方を透明部材としてもよい。

流量センサ１７（１）〜１７（５）の一例として、熱式流量センサを用いる構成を示したが、マイクロ流路１４（１）〜１４（５）のような微細管を流れる流体の流量を測定できるものであれば、どのようなものでよい。

本発明の第１の実施例を示した構成図である。 図１に示す流量センサの一例を示した構成図である。 従来のマイクロ流量分配コントロール装置の構成を示した図である。

符号の説明

１０ａ、１０ｂ ガラス基板
１２ 入力側流路
１４（１）〜１４（５） マイクロ流路
１６（１）〜１６（５） バルブ
１７（１）〜１７（５） 流量センサ
１７ａ 伝熱手段
１７ｂ、１７ｃ 温度検出手段
１７ｄ 演算制御手段
２０ 調整手段

Claims (4)

1. 入力側流路を流れる流体を、複数のマイクロ流路に分配するマイクロ流量分配コントロール装置において、
   前記マイクロ流路に設けられ、流量を測定する流量センサと、
   この流量センサの上流側または下流側の前記マイクロ流路に設けられるバルブと、
   前記流量センサの測定結果によって前記バルブの調整を行う調整手段と
   を設けたことを特徴とするマイクロ流量分配コントロール装置。
2. 前記入力側流路および前記マイクロ流路となる溝が形成される第１の基板と、
   前記溝が形成された側の前記第１の基板に貼り合わされて流路を形成する第２の基板と
   を設け、前記第１または第２の基板の少なくとも一方が、透明部材であることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流量分配コントロール装置。
3. 透明部材は、ガラスまたはプラスチックであることを特徴とする請求項２記載のマイクロ流量分配コントロール装置。
4. 流量センサは、
   前記マイクロ流路に設けられる伝熱手段と、
   前記マイクロ流路上であって前記伝熱手段から等間隔の位置に設けられた上流側および下流側の温度検出手段と
   を設け、前記温度検出手段で検出された温度の温度差に基づいて流量を求める熱式流量センサであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ流量分配コントロール装置。
   

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