JP2008287429A

JP2008287429A - 流体制御装置

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Publication number: JP2008287429A
Application number: JP2007130813A
Authority: JP
Inventors: Toru Hinouchi; 亨日之内
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2008-11-27

Abstract

【課題】圧力変化による流体の変化量を低減させることを可能とする流体制御装置を実現する。
【解決手段】流体の微小流量を制御する流体制御装置において、膜により区切られた第１及び第２の微小流路を有するマイクロチップと、前記第１の微小流路を介して流入される流体を前記第２の微小流路に流出させると共に圧力損失を発生させる圧力損失発生部とを備え、前記膜が、前記流体に発生した前記圧力損失に応じて前記第１及び第２の微小流路の断面積をそれぞれ変化させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、流体の微小流量を制御する流体制御装置に関して、特に圧力変化による流体の変化量を低減させることが可能な流体制御装置に関する。

従来、微小流路を有するマイクロリアクタを利用した化学反応において、化学反応条件に合わせて微小流路を流れる流体の微小流量を制御することが求められている。

このような従来の流体の微小流量を制御する流体制御装置に関連する先行技術文献としては次のようなものがある。

特開２００３−３４３５０７号公報

特開２００４−３４６８８６号公報

図４において１は流体タンク、２は流体を流体タンク１から吸引して加圧して流出するポンプ、３はバルブ等の流量制御部、５０、５１及び５２は流体配管である。

説明を簡単にするため、流量制御部３は、それぞれ断面積が可変である微小流路を有するものとする。

流体タンク１、ポンプ２、流量制御部３、流体配管５０、５１及び５２は流体制御装置１００を構成する。

流体タンク１の流出口は流体配管５０の一端に接続され、流体配管５０の他端はポンプ２の流入口に接続される。

ポンプ２の流出口は流体配管５１の一端に接続され、流体配管５１の他端は流量制御部３の流入口に接続される。流量制御部３の流出口は流体配管５２の一端に接続され、流体配管５２の他端から流体が流出される。

ここで、図４に示す従来の流体制御装置の動作を説明する。ポンプ２は流体配管５０を介して流体タンク１内の流体を吸引すると共に、吸引された流体を加圧して流体配管５１に流出する。

流体は流体配管５１を流れて流量制御部３に流入する。流量制御部３は、微小流路（図示せず）の断面積を変化させて流出する流量を制御する。

例えば、流量制御部３が微小流路（図示せず）を制御して断面積を小さくすると、流量制御部３から流出される流体の流量は減少される。また、流量制御部３が微小流路（図示せず）を制御して断面積を大きくすると、流量制御部３から流出される流体の流量は増加する。

そして、流量制御部３から流出された流体は流体配管５２に流れ込み、流体配管５２の他端から流出される。

この結果、ポンプが流体タンクの流体を吸引すると共に加圧して流量制御部に供給し、流量制御部が流れ込む流体の流量を制御することにより、流体の流量を制御することが可能となる。

しかしながら、図４に示す従来例では、流体タンク内の圧力が周囲の温度等の影響を受けて変化することにより、流体の流量が変化してしまうといった問題点があった。

また、ポンプ及び流体配管等の周囲の温度や液漏れ等の影響を受けて流体に加わる圧力が変化することにより、流体の流量が変化してしまうといった問題点があった。
従って本発明が解決しようとする課題は、圧力変化による流体の変化量を低減させることを可能とする流体制御装置を実現することにある。

上記のような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
流体の微小流量を制御する流体制御装置において、膜により区切られた第１及び第２の微小流路を有するマイクロチップと、前記第１の微小流路を介して流入される流体に圧力損失を発生させると共に前記流体を前記第２の微小流路に流出させる圧力損失発生部とを備え、前記膜が、前記流体に発生した前記圧力損失に応じて前記第１及び第２の微小流路の断面積をそれぞれ変化させることにより、圧力変化による流体の変化量を低減させることが可能となる。

請求項２記載の発明は、
請求項１記載の発明である流体制御装置において、
前記マイクロチップが、両端に流体の流入口及び流出口を有する溝がそれぞれ形成された第１及び第２の基板と、両面に前記第１及び前記第２の基板が貼り合わされて前記第１及び前記第２の微小流路を形成する前記膜とから構成されることにより、圧力変化による流体の変化量を低減させることが可能となる。

請求項３記載の発明は、
請求項１記載の発明である流体制御装置において、
前記圧力損失発生部が、前記流体に発生させる前記圧力損失を変化させることにより、圧力変化による流体の変化量を低減させることが可能となる。

本発明によれば次のような効果がある。
請求項１、２及び請求項３の発明によれば、
第１及び第２の基板と膜とで形成され膜により区切られた第１及び第２の微小流路を備え、圧力損失発生部が第１の微小流路から流入される流体に圧力損失を発生させて流体を第２の微小流路に流出し、膜が圧力損失発生部で発生した圧力損失に応じて第１及び第２の微小流路の断面積をそれぞれ変化させ、第２の微少流路が流体の抵抗となることにより、圧力変化による流体の変化量を低減させることが可能となる。

以下本発明を図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る流体制御装置の一実施例を示す平面図及び断面図である。図２は流体制御装置の基板の微小流路の形成過程を説明する説明図である。また、図１（ａ）は本発明に係る流体制御装置の上面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ流体制御装置の微小流路の形成過程を説明する説明図である。

図１において４、５、７及び８はコネクタ、６は圧力損失を生成する圧力損失発生部、９は耐薬品性の高いポリテトラフルオロエチレンなどの膜、１０及び１１は流入口及び流出口が形成され膜９と貼り合わされて微小流路を構成する溝が形成された基板、１１０、１１１、１１２及び１１３は流体配管である。図２において１０は図１と同一符号を付してある。

また、説明を簡単にするため、圧力損失発生部６は流体に圧力損失を発生させるために流路が局所的に絞られた絞り部（図示せず）を有し、流体の流量に依存して圧力損失を発生させるものとする。

コネクタ４、５、７及び８、圧力損失発生部６、膜９、基板１０及び１１、流体配管１１０、１１１、１１２及び１１３は流体制御装置２００を構成し、膜９、基板１０及び１１はマイクロチップ２１０を構成する。

流体配管１１０の一端から流体が流入され、流体配管１１０の他端はコネクタ４を介して図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路の一端に接続される。

図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路の他端はコネクタ５を介して流体配管１１１の一端に接続され、流体配管１１１の他端は圧力損失発生部６の流入口に接続される。

圧力損失発生部６の流出口は流体配管１１２の一端に接続され、流体配管１１２の他端はコネクタ７を介して図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の一端に接続される。

図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の他端はコネクタ８を介して流体配管１１３の一端に接続され、流体配管１１３の他端から流体が流出される。

次に、基板１０及び１１の形成過程について説明する。例えば、図２（ａ）に示すように、基板１０は図２中”Ａ０１”に示す部分がエッチング加工等により除去され、溝が形成される。

また、基板１０には、基板１０に形成された溝の両端に図１中”ＩＰ１１０” 示す流入口及び”ＥＰ１１０”に示す流出口がエッチング加工等によりそれぞれ形成される。

特に図示して説明しないが、基板１１も基板１０と同様に、図２中”Ａ０１”に示す部分がエッチング加工等により除去されて溝が形成されると共に、基板１１に形成された溝の両端に図１中”ＩＰ１１１” に示す流入口及び”ＥＰ１１１”に示す流出口がエッチング加工等によりそれぞれ形成される。

そして、図２（ｂ）に示すように、膜９が、基板１０に形成された溝の開口部分を覆うように膜９の一方の面で基板１０と接着などにより貼り合わされる。

さらに、図２（ｃ）に示すように、膜９が、基板１０の溝と基板１１の溝とが膜９を介して対向すると共に基板１１に形成された溝の開口部分を覆うように、膜９の他方の面で基板１１と接着などにより貼り合わされる。

この時、基板１１は、膜９を介して基板１１に形成された溝の両端が基板１０に形成された溝の両端と対向するように膜９と貼り合わされる。

すなわち、膜９の両面には、基板１０と基板１１が溝の開口部分を覆うようにそれぞれ貼り合わされることになる。

このような貼り合わせにより、基板１０及び基板１１に形成された溝の開口部分は膜９で覆われ図２中”ＭＦ１１０”及び”ＭＦ１１１”に示す微小流路をそれぞれ構成する。

言い換えれば、図２中”ＭＦ１１０”及び”ＭＦ１１１”に示す微小流路は膜９によって区切られる。

また、コネクタ４が基板１０に形成された図１中”ＩＰ１１０”に示す流入口に設置され、コネクタ５が図１中”ＥＰ１１０”に示す流出口に設置される。

コネクタ７が図１中”ＩＰ１１１”に示す流入口に設置され、コネクタ８が図１中”ＥＰ１１１”に示す流出口に設置される。

ここで、図１に示す本発明に係る流体制御装置の一実施例の動作について図３を用いて説明する。図３は本発明に係る流体制御装置の圧力損失と流量の変化量との関係を説明する説明図である。

流体は、流体配管１１０を流れコネクタ４を介して図１中”ＩＰ１１０”に示す流入口から図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路に流れ込む。

流体は、図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路を流れて図１中”ＥＰ１１０”に示す流出口から流出される。

図１中”ＥＰ１１０”に示す流出口から流出された流体は、コネクタ５を介して流体配管１１１を流れて圧力損失発生部６に流れ込む。

また、圧力損失発生部６を通過する流体は、絞り部（図示せず）に流れ込む。また、絞り部（図示せず）の断面積が局所的に小さいことにより、圧力損失発生部６から流出される流体の圧力は小さくなる。

例えば、圧力損失発生部６に流入される図１中”ＩＦ１１０”に示す流体が圧力損失発生部６内の局所的に断面積が小さい絞り部（図示せず）に流れ込むことにより、図１中”ＩＦ１１１”に示す圧力損失発生部６から流出される流体は図１中”ＩＦ１１０”に示す圧力損失発生部６に流入される流体よりも圧力が小さくなる。（言い換えれば、圧力損失発生部６は圧力損失を発生させることになる。）

そして、流体は圧力損失発生部６から流出されて流体配管１１２に流れ込む。また、流体配管１１２を流れる流体は、コネクタ７を介し図１中”ＩＰ１１１”に示す流入口から注入され図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路を流れる。

図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路を流れる流体は、図１中”ＥＰ１１１”に示す流出口からコネクタ８を介して流体配管１１３に流出される。

膜９は、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の圧力が図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路の圧力よりも小さいので、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路を押しつぶすように変形し図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の断面積は小さくなる。

この場合、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の断面積が小さくなることにより、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の流体抵抗は大きくなる。

一方、図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路に流入される流体の流量が減って圧力損失発生部６の発生する圧力損失が小さくなる場合に、膜９は圧力損失の変化に応じて変形し図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の断面積が大きくなる。

この場合、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の断面積が大きくなることにより、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の流体抵抗は小さくなる。

すなわち、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の流体抵抗は圧力損失発生部６の発生する圧力損失に応じて変化することになる。

このため、図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路に流入される流体の流量を増加させる（減少させる）場合に、圧力損失発生部６によって発生される圧力損失が大きく（小さく）なり、膜９が圧力損失に応じて変形し図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の流体抵抗を大きく（小さく）させるので、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路から流出される流体の流量の変化を抑えることにより、流体制御装置２００内の圧力が何らかの原因で変化したとしても、流体制御装置２００から流出される流量はほぼ変化しない。

例えば、図３に示すように、圧力損失発生部６の圧力損失が５ＭＰａで流体制御装置２００から流出される流量が０．１３μｌである状態から、図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路に流入される流体の流量を増やす（例えば、２倍の流量にする）。

この場合、図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路に流入される流体の流量が増えると圧力損失発生部６の発生する圧力損失もまた増える。例えば、図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路に流入される流体の流量が増えると、圧力損失発生部６の発生させる圧力損失は５ＭＰａから１０ＭＰａに増える。

仮に、圧力損失が変化しても形状が変化しないような板等の部材によって図１中”ＭＦ１１０”及び”ＭＦ１１１”に示す微小流路がそれぞれ区切られているような構成の流体制御装置では、図３中”ＧＬ１０１”に示す曲線のように、圧力損失が５ＭＰａから１０ＭＰａへ２倍に変化する場合、流出される流量は０．１３μｌから０．２６μｌに変化してしまう。

一方、本発明の実施例に示す流体制御装置２００では、図３中”ＧＬ１００”に示す曲線に示すように、圧力損失の増加に応じて膜９の図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の断面積を小さくする力が強まり図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の断面積が小さくなるため、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の流体抵抗が大きくなって流出される流体の流量の変化を抑えることにより、流体制御装置２００から流出される流量は０．１５μｌとなり、流体制御装置２００から流出される流量はほぼ変化しない。

言い換えれば、流入される流量が増えて圧力損失が５ＭＰａから１０ＭＰａへ２倍に変化する場合であっても、流出される流量は０．１３μｌから０．１５μｌ（２０％増）に変化するだけに留まり、その変化量は小さい。

同様に、図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路に流入される流体の流量が減って圧力損失発生部６の発生する圧力損失が小さくなる場合であっても、圧力損失の減少に応じて膜９の図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の断面積を小さくする力が弱まり図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の断面積が大きくなるため、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の流体抵抗が小さくなって流出される流体の流量の変化を抑えることにより、流体制御装置２００から流出される流量はほぼ変化しない。

このように、図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路に流入される流体の流量を増加させる（減少させる）場合に、圧力損失発生部６によって発生される圧力損失が大きく（小さく）なり、膜９が圧力損失の変化に応じて変形するので、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路から流出される流体の流量の変化を抑えることにより、流入される流体の流量の変化によって圧力損失が大きく変化したとしても、流体制御装置２００から流出される流量はほぼ変化しない。

この結果、マイクロチップが膜により区切られた第１及び第２の微小流路を備え、圧力損失発生部が第１の微小流路を介して流れ込む流体を第２の微小流路に流出させると共に圧力損失を発生させ、膜が圧力損失発生部で発生した圧力損失に応じて第１及び第２の微小流路の断面積を変化させることにより、圧力変化による流体の変化量を低減させることが可能となる。

なお、図１等に示す実施例では、圧力損失発生部６が図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路を介して流入される流体に圧力損失を発生させ、膜９が圧力損失に応じて図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の断面積をように変形すると例示されているが、特にこれに限定されるものではなく、圧力損失発生部が発生させる圧力損失を変化させることにより、流体制御装置から流出される流体の流量を制御するものであっても構わない。

ここで、圧力損失発生部の流体抵抗を変化させて流体制御装置から流出される流体の流量を制御する流体制御装置の動作について説明する。

説明を簡単にするために、圧力損失発生部６内の断面積が局所的に小さい絞り部（図示せず）の断面積は可変であるものとする。

例えば、圧力損失発生部６は局所的に絞られた絞り部（図示せず）を制御して断面積を変化させる。

また、圧力損失発生部６の絞り部の断面積の変化に伴い圧力損失発生部６の流体抵抗が変化するため、圧力損失発生部６で発生する圧力損失もまた変化する。

例えば、流体制御装置２００から流出される流体の流量を減少させる（増加させる）場合、圧力損失発生部６は断面積が局所的に小さい絞り部（図示せず）を制御して断面積を小さく（大きく）することにより、圧力損失発生部６の流体抵抗が大きく（小さく）なり発生する圧力損失は大きく（小さく）なる。

このように、圧力損失発生部６で発生する圧力損失の変化に伴い、膜９が図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の断面積を小さくする力もまた変化するため、流体制御装置２００から流出される流体の流量を制御することが可能となる。

例えば、圧力損失発生部６の流体抵抗が大きく（小さく）なり発生する圧力損失が大きく（小さく）なる場合、膜９の図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の断面積を小さくする力が強く（弱く）なり図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の流体抵抗が大きく（小さく）なるので、流体制御装置２００から流出される流体の流量は少なく（多く）なる。

このため、圧力損失発生部６を制御して絞り部の断面積を大きく（小さく）することにより、図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の流体抵抗を制御し、流体制御装置２００から流出される流体の流量を多く（少なく）することが可能となる。

この結果、圧力損失発生部が流体抵抗を変化させて発生させる圧力損失を制御することにより、流体制御装置は流出される流体の流量を制御することが可能となる。

また、図１等に示す実施例では、圧力損失発生部６は図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路を介して流入される流体に圧力損失を発生させると例示されているが、特にこれに限定されるものではなく、圧力損失発生部は流量が増加すると圧力損失も増加するような性質を有するものであれば、細管、オリフィス、ニードルバルブ、ダイアフラムバルブ、微粒子を充填した管などであっても構わない。

また、図１等に示す実施例では、図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路の流出口と図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の流入口とが流体配管１１１及び１１２を介して圧力損失発生部６にそれぞれ接続されると例示されているが、特にこれに限定されるものではなく、圧力損失発生部がマイクロチップ上に組み込まれて形成されるものであっても構わない。また、流体制御装置は、流体配管及びコネクタを構成要素としないものであっても構わない。

また、図１等に示す実施例では、マイクロチップ２１０は、図１中”ＭＦ１１０”に示す微小流路の両端と図１中”ＭＦ１１１”に示す微小流路の両端とが膜９を介してそれぞれ対抗すると例示されているが、特にこれに限定されるものではなく、マイクロチップは膜が微小流路の断面積をそれぞれ変化させることが可能となるような位置関係からなる構成であればよい。

本発明に係る流体制御装置の一実施例を示す平面図及び断面図である。流体制御装置の基板の微小流路の形成過程を説明する説明図である。本発明に係る流体制御装置の圧力損失と流量の変化量との関係を説明する説明図である。従来の流体の微小流量を制御する流体制御装置の一例を示す構成ブロック図である。

符号の説明

１流体タンク
２ポンプ
３流量制御部
４、５、７、８コネクタ
６圧力損失発生部
９膜
１０、１１基板
５０、５１、５２、１１０、１１１、１１２、１１３流体配管
１００、２００流体制御装置
２１０マイクロチップ

Claims

流体の微小流量を制御する流体制御装置において、
膜により区切られた第１及び第２の微小流路を有するマイクロチップと、
前記第１の微小流路を介して流入される流体を前記第２の微小流路に流出させると共に圧力損失を発生させる圧力損失発生部とを備え、
前記膜が、前記流体に発生した前記圧力損失に応じて前記第１及び第２の微小流路の断面積をそれぞれ変化させることを特徴とする流体制御装置。
前記マイクロチップが、
両端に流体の流入口及び流出口を有する溝がそれぞれ形成された第１及び第２の基板と、
両面に前記第１及び前記第２の基板が貼り合わされて前記第１及び前記第２の微小流路を形成する前記膜とから構成されることを特徴とする
請求項１記載の流体制御装置。
前記圧力損失発生部が、
発生させる圧力損失を制御することを特徴とする
請求項１記載の流体制御装置。