JP2012508643A - 多流路型マイクロリアクタ・デザイン - Google Patents

多流路型マイクロリアクタ・デザイン Download PDF

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Abstract

マイクロ流体デバイスは、壁により画成され、流路（５２）を構成するように、またこれと並行して多流路基本デザインパターン（５７）を構成するように流体連通して直列に配列された、混合および／または滞留時間を提供することのできる基本デザインパターン（３４）の群を備えた少なくとも１つの並列多流路構造（５０）を含む少なくとも１つの反応体通路（２６）を備えており、並列多流路構造（５０）は、２つの隣接する並列流路（５２）の基本デザインパターン（３４）の間に少なくとも１つの連通区域（５４）を備えており、この連通区域（５４）は、連通区域（５４）が間に配置された基本デザインパターン（３４）により画成された平面と同じ平面にあり、同じ流動方向を有する隣接する並列流路（５２）の間の質量流量差を最小にするために、流体を通過させることができる。

Description

優先権
本出願は、「多流路マイクロリアクタ・デザイン」と題する、２００８年１０月２２日に出願された欧州特許出願第０８３０５７１１．７号および２００８年９月２９日に出願された欧州特許出願第０８３０５６１０．１号に優先権を主張するものである。
本発明は、多流路型マイクロリアクタ・デザインに関する。
マイクロ流体デバイスは、当たり前であるが、数マイクロメートルから数ミリメートルに及ぶ規模の流体デバイス、すなわち、最小寸法が数マイクロメートルから数ミリメートルの範囲にある、好ましくはマイクロメートルの十分のいくつかから約２マイクロメートルの範囲にある流体通路を有するデバイスを備えている。一部には、その特徴的な小さい総プロセス流体容積および特徴的な高い表面積対容積比のために、マイクロ流体デバイス、特にマイクロリアクタは、難しい、危険な、もしくはさらにはそうでなければ不可能な化学反応およびプロセスを、安全で、効率的かつ環境に優しい様式で実施するのに有用であり得る。そのような改善された化学処理は、しばしば「プロセス強化(process intensification)」と記載される。
プロセス強化は、従来の化学処理を、より小さく、より安全かつよりエネルギー効率がよく、環境に優しいプロセスに転換させる潜在能力を有する、化学工学におけるパラダイムである。プロセス強化の主な目的は、リアクタのサイズを著しく減少させると同時に、物質移動効率と熱伝達効率を最大にする構成を使用した高効率の反応・処理システムを製造することにある。研究者がよりよい転化および／または選択性を得ることを可能にする方法を使用することによって、研究室から量産までの開発時間を短縮することも、プロセス強化研究の優先事項の内の１つである。プロセス強化は、生産量が年産数メートルトンより少ないことが多く、強化プロセスにおける研究室の結果が並行して比較的に容易に規模拡大される、精密化学および製薬の業界にとって特に好都合であろう。
プロセス強化は、今日一般に使用されているものと比べて、製造および処理において非常に重要な改善をもたらし、設備のサイズを実質的に減少させる新たな装置の技法の開発から、実質的により小さく、より清浄であり、よりエネルギー効率の高い技術へとつながる技術開発までを含む。
ここに開示された方法およびデバイスは、一版に、微細構造内での、混合、分離、抽出、結晶化、沈殿、または他の様式での流体（固体も含有する流体の多相混合物を含む流体または流体の混合物を含む）の多相混合物を含む。流体または流体の混合物の処理を含む任意のプロセスを行う上で一般に有用である。処理としては、物理プロセス、有機種、無機種、または有機種と無機種の両方の相互転化をもたらすプロセスと定義される化学反応、生化学プロセス、または任意の他の形態の処理が挙げられる。以下の非限定的な反応のリストが、開示された方法および／またはデバイスにより行われるであろう：酸化；還元；置換；脱離；付加；配位子交換；金属交換；およびイオン交換。より詳しくは、以下の非限定的なリストの内のいずれの反応も、開示された方法および／またはデバイスにより行われるであろう：重合；アルキル化；脱アルキル化；ニトロ化；過酸化；スルホ酸化；エポキシ化；アンモ酸化；水素化；脱水素化；有機金属反応；貴金属化学／均一系触媒反応；カルボニル化；チオカルボニル化；アルコキシル化；ハロゲン化；脱水素ハロゲン化；脱ハロゲン化；ヒドロホルミル化；カルボキシル化；脱カルボキシル化；アミノ化；アリール化；ペプチドカップリング；アルドール縮合；環化縮合；脱水素環化；エステル化；アミド化；複素環化合成；脱水；アルコール分解；加水分解；アンモニア分解；エーテル化；酵素的合成；ケタール化；鹸化；異性化；四級化(quaternization)；ホルミル化；相間移動反応；シリル化；ニトリル合成；リン酸化；オゾン分解；アジド化学；メタセシス；ヒドロシリル化；カップリング反応；および酵素反応。
本発明の発明者等および／またはその同僚は、以前、プロセス強化に有用な様々なマイクロ流体デバイスおよびそのようなデバイスの製造方法を開発した。これらの以前に開発されたデバイスには、従来技術の図１に示された一般形態の装置がある。図１は、一定の縮尺で示されていないが、ある種のマイクロ流体デバイスの一般的な層状構造を示す斜視図である。図示されたタイプのマイクロ流体デバイス１０は、一般に、その中に、図に詳しく示されていない１つ以上の熱調節通路が配置されたまたは構築された少なくとも２つの容積１２および１４を含む。容積１２は水平壁１６と１８により垂直方向に制限されているのに対し、容積１４は水平壁２０と２２により垂直方向に制限されている。この文書に用いられる「水平」および「垂直」という用語は、一般の相対的な方向を示す単なる相対的な用語であり、必ずしも、直角精度を示すものではなく、図面に使用される方向を称するために便宜上使用されており、その方向は、慣習として使用され、図示されたデバイスの特徴を意図するものではない。ここに記載される本発明とその実施の形態は、任意の所望の方向に使用してよく、水平壁および垂直壁は、一般に、交差する壁であることしか必要なく、直角である必要はない。
部分的な詳細が従来技術の図２に示されている反応体通路２６が、２つの中央水平壁１８と２０の間の容積２４内に配置されている。図２は、垂直壁構造２８の横断面図を示しており、その内のいくつかが、容積２４内の所定の断面レベルで反応体通路２６を画成する。図２の反応体通路２６は、その中に収容された流体を容易に視認できるように陰影がつけられており、蛇行の形態で、一定幅で二次元に曲がりくねった繰り返しの通路を形成し、容積２４を画成する板の表面の最大面積を覆っている。図２に示された断面の平面から垂直に移動する、容積１２および／または１４内の異なる平面で、マイクロ流体デバイス１０の他の部分と、図１の断面に示された曲がりくねった反応体通路２６の入口３０および出口３２との間の流体接続が行われる。
反応体通路２６は、略平面の壁に直角な方向に一定の高さを有する。
図１および２に示されたデバイスは、比較的調節された熱環境にある間に反応を完了できる容積を提供するように働く。
図３に、反応体、特に、不混和性流体および気液混合物などの多相系を混合し、この分散体または混合物を幅広い流量に亘り維持する特別な目的のための、別の従来技術のデバイスが示されている。従来技術のこのデバイスにおいて、反応体通路２６は一連のチャンバ３４を含む。
そのようなチャンバ３４の各々は、反応体通路の少なくとも２つの副通路３６への分割、および分割された副通路３６の結合３８、並びに副通路３６の少なくとも１つにおける、直ぐ上流の通路方向に対して少なくとも９０度の通路方向の変化を含む。図示された実施の形態において、両方の副通路３６が、反応体通路２６の直ぐ上流の通路方向に対して９０度を超えて方向を変化させているのが図３から分かるであろう。
また図３の実施の形態において、多数の連続したチャンバ３４の各々は、そのチャンバの直ぐ後に続くものを有するチャンバについて、後に続くチャンバの対応する狭い入口４２を形成する徐々に狭くなる出口４０をさらに備えている。チャンバ３４は、直ぐ上流の流動方向に対して交差するように向けられ、チャンバの入口４２の直ぐ下流に配置された、分割し方向を変える壁４４も備えている。この分割し方向を変える壁４４の上流側には凹面４６がある。あるチャンバから次のチャンバに狭くなる出口４０は、約１ｍｍ幅であることが望ましい。通路は約８００μｍの高さを有することが望ましいであろう。
このタイプのデバイスには、多くの場合で所定の反応について最新技術を超えさえする、良好な性能が得られてきたが、それでも、流体力学性能を改善することが望まれるようになってきた。特に、スループットを増加させながら、デバイスにより生じる圧力降下を減少させると同時に、調節されたバランスのとれた滞留時間を得ることが望ましい。
特許文献１において、流体流に実質的に均しい滞留時間分布を提供できる微小規模の反応装置を提供する目的で、内部で並発する化学反応を行うために、「積層板のマイクロリアクタにおいて向上した流体流」の並列通路（図３７参照）が使用されている。
米国特許第７２４１４２３号明細書（米国特許出願公開第２００２／１０６３１１号明細書に対応）
しかしながら、この文献では、流体流の調節された均一な分布に関する問題の全てが解決されているわけではない。
マイクロ流体デバイスは、壁により画成され、少なくとも１つの並列の多数の流路構造を含む少なくとも１つの反応体通路（２６）を備えており、この並列の多数の流路構造は、流路を構成すると同時に、並列の流路において多数の流路基本デザインパターンを構成するように、流体連通して連続して配置された流路の基本デザインパターンの群を含み、この基本デザインパターンは、混合および／または滞留時間を提供することができ、並列の多数の流路構造は、２つの隣接する並列流路の基本デザインパターンの間に少なくとも２つの連通区域を備え、連通区域は、その連通区域が間に配置された基本デザインパターンにより画成されたのと同じ平面にあり、同じ流動方向を有する隣接する並列な流路の間の質量流量差を最小にするために流体の通過（流体相互接続）を可能にする。
ある場合には、並列の多数の流路構造の隣接する並列の流路の間の質量流量（および流体圧力）を等しくすることができる。
さらに、この解決策により、連通区域のおかげで、各並列な多数の流路構造のいくつかの並列なマイクロ通路または流路内の滞留時間が均一になる。
したがって、一定の滞留時間および水圧特性を得るために、各流路が同じ長さ、幅および高さのものであるという条件で、本発明による並列な多数の流路構造により、マイクロリアクタの化学生産スループットが増加する。
本発明の追加の特徴および利点が、以下の詳細な説明に述べられており、一部は、その説明から当業者には容易に明白となる、または以下の詳細な説明、特許請求の範囲、並びに添付の図面を含む、ここに記載された本発明を実施することによって、認識されるであろう。
先の一般的な説明および以下の詳細な説明の両方とも、本発明の実施の形態を提示し、特許請求の範囲に記載された本発明の性質および特徴を理解するための概要または構成を提供することが意図されている。添付の図面は、本発明をさらに理解するために含まれ、本明細書に包含され、その一部を構成する。その図面は、本発明の様々な実施の形態を示しており、説明と共に、本発明の原理および動作を説明するように働く。
ある従来技術のマイクロ流体デバイスの一般の層状構造を示す斜視図 図１の容積２４内の垂直壁構造の横断面図 別の従来技術のマイクロ流体デバイスによる図１の容積２４内の垂直壁構造の横断面図 本発明の第１の実施の形態による並列な多数の流路構造を画成する第１のタイプの基本デザインパターンを有する垂直壁構造の横断面図 本発明の第１の実施の形態の変種による並列な多数の流路構造を画成する垂直壁構造の横断面図 図５の詳細ＶＩの部分拡大図 並列な多数の流路構造内の連通区域の位置のいくつかの選択肢による第１のタイプの基本デザインパターンを有する垂直壁構造の部分横断面図 並列な多数の流路構造内の連通区域の位置のある選択肢による第１のタイプの基本デザインパターンを有する垂直壁構造の部分横断面図 並列な多数の流路構造内の連通区域の位置のある選択肢による第１のタイプの基本デザインパターンを有する垂直壁構造の部分横断面図 第１のタイプの代わりの基本デザインパターンを画成する多数の垂直壁構造の部分横断面図 第２のタイプの基本デザインパターンの横断面図 本発明のさらに別の代わりの実施の形態による並列な多数の流路構造の部分を画成するための、図１１の第２のタイプの基本デザインパターンを使用した代わりの垂直壁構造の横断面図 本発明の第２の実施の形態による並列な多数の流路構造を画成する第２のタイプの基本デザインパターンを有する垂直壁構造の横断面図 第３のタイプの基本デザインパターンを有する代わりの垂直壁構造の横断面図 第３のタイプの基本デザインパターンを有する別の代わりの垂直壁構造の横断面図 並列な多数の流路構造の各々の上流に配置されるべき考えられるマニホールド構造の説明図 図４に対する代わりの構造を画成する垂直壁構造の横断面図 図１３に対する代わりの構造を画成する垂直壁構造の横断面図 図４および５に示された並列な多数の流路構造を組み合わせた垂直壁構造の横断面図 本発明の２つの実施の形態を従来技術のデバイスと比較した、ミリリットル毎分で表された流量の関数としての、ミリバールで表されたマイクロ流体デバイスを横切る圧力降下のグラフ 本発明の２つの実施の形態を従来技術のデバイスと比較した、同じ圧力降下に関する流量とデザインとの間の相関性を示すグラフ（１バールの圧力降下について行ったシミュレーション） 本発明の実施の形態を従来技術のデバイスと比較した、秒で表された平均デカンテーション時間を示すグラフ（１１０ｇ／分の溶媒流量、および１０ｇ／分のジオール流量を使用した、Ｔ＝３５℃での、１２０ｇ／分の総量） 図８の垂直壁構造の構造体に関する断面を通るミリリットル毎分で表された質量流量を示すグラフ
ここで、その実施例が添付の図面に示されている、本発明の現在好ましい実施の形態を詳しく参照する。できる限り、同じまたは同様の部品を参照するために、図面に亘り同じ参照番号が使用される。
制限なく、本発明のマイクロ流体デバイスにおいて、並列の多数の流路構造により構成された反応体通路およびその部分は、一般に、水平面に延在し、垂直壁により画成される。「幅」は、流動方向に対して直角であり、並列の多数の流路構造の水平面に平行な方向を称する。「高さ」は、流動方向に対して直角であり、並列の多数の流路構造の水平面に対して直角な方向を称する。「長さ」は、流動方向に対して平行であり、並列の多数の流路構造の水平面に対して平行な方向を称する。
図４には、連続して配置された６つの並列の多数の流路構造５０を有する、第１の実施の形態による反応体通路２６を有するマイクロ流体デバイスが見える。各並列の多数の流路構造５０は、隣接する様式で連続して配置された一連の９つのチャンバ３４により形成された２つの並列な流路５２を有する。各チャンバ３４は、良好な混合特性を提供し、液液不混和性または気液分散体を維持できる、図３のものと同様の、第１のタイプの基本デザインパターンを形成する。
２つの並列な流路５２は互いに隣接している。また、２つの並列な流路５２の隣接するチャンバ３４は、一対のチャンバ３４（より一般には、それらの間に連通区域５４を有する多数の流路の基本デザインパターン５７）を形成する。この連通区域５４は、流体の流れが２つの並列な流路５２内を並列に通過するときに、これらの連通区域５４の位置で２つの並列な流路５２の間で流体が通過する可能性があるように一対のチャンバ３４の間の直接的な流体接続によって形成される。したがって、並列な流路５２の隣接するチャンバ３４の間に、アパーチャ／開口（連通区域５４）を有する接点（壁の共通部分）がある。
並列な流路の間のこの特別な潜在的な流体の通過または流動相互接続により、中でも、反応体通路２６のデザイン（特にマニホールド・デザイン）および／または製造プロセスの許容差および／または流路の詰まりのためであり得る、任意の潜在的な流れの不釣り合いを補正することができる。
したがって、流体の流量は、並列の多数の流路構造５０の全ての流路５２間で釣り合わせることができる。
さらに、反応体通路２６またはチャンバ３４のものと同じ容積２４内に連通区域５４を有することにより、すなわち、並列な流路５２のものと同じ平面に連通区域５４を有することにより、いくつかの有意義な利点がもたらされる：そのような構造は、製造（同じ板）が単純であり、容積２４の両側に配置された容積１２および１４の熱調節通路により熱伝達を最適化し、均一な滞留時間分布と安全性にとって有害である追加の圧力降下およびデッドゾーンが避けられる。
したがって、本発明によれば、各並列の多数の流路構造５０の上流に配置されたマニホールド５６のデザインおよびチャンバ３４と並列な流路５２の厳密な類似性はそれほど重要ではない。
２つの通路または流路５２は、それらの間に開口（連通区域５４）を有する縁で規則的に接触し、その開口は、並列な流路５２の間で異なる圧力降下がある場合（例えば、製造許容差または詰まり）、流れの分配を変えるように調節され、その接点で流動パターンを著しく変えないように十分に小さいように調節される。
連続チャンバ３４は、図４に示されたマイクロ流体デバイスの実施の形態の反応体通路２６の大部分を構成する。チャンバ３４は、壁１８および２０に略直角な方向に、図１に示すように一定の高さＨを有することが望ましく、その高さＨは、壁１８と２０の間の距離にほぼ相当する。言い換えれば、チャンバ３４を有する通路２６の部分は、高さＨの方向に可能な最大空間を占め、Ｈの方向における容積２４の最大寸法と一致する。このことは、（１）所定の横方向サイズのマイクロ流体デバイスの容積が最大になり、より高いスループット率でより長い滞留時間が可能となるので、また（２）１つ以上の熱調節流体通路が収容される容積１２と１４および反応体通路２６の間の距離と材料の量が最小になり、より多くの熱伝達が可能になるので、重要である。さらに、高さＨは約８００μｍから数ミリメートルを超えるまでが望ましいであろうが、Ｈの方向における境界層の厚さは、一般に、分割し方向を変える壁４４により生じた方向変化を反応体流体が通過することによって反応体通路内で誘発される二次流動により、また徐々に狭くなる出口４０から連続したチャンバ３４のより広い空間への繰り返しの通過により減少する。
熱交換および滞留時間を最大にすべきデバイスについて、多数の連続したチャンバ３４は、図４の実施の形態の場合のように、反応体通路２６の総容積の少なくとも３０％、好ましくは少なくとも５０％、より好ましくは少なくとも７５％以上に沿って延在することが望ましい。
図４における本発明の実施の形態から分かるように、連続したチャンバ３４が、上流と下流の方向において次のチャンバと壁を共有することが望ましい。このことは、最大数のチャンバ３４が、所定の空間内に配置され、それゆえ、壁１８，２０間で利用できる総容積の比として反応体通路２６の容積が最大になることを確実にするのに役立つ。特に、反応体通路２６が、（１）開放容積、（２）水平壁１８，２０の間の反応体通路を画成し形成する壁構造２８の容積、および（３）反応体通路２６を画成し形成する壁構造２８の間の空の容積４８などの任意の他の容積からなる、総容積の少なくとも３０％の開放容積を有することが望ましい。反応体通路が少なくとも４０％の開放容積を有することがより望ましい。
図５の変種において、反応体通路２６は、入口３０と出口３２との間に連続して配置された４つの並列の多数の流路構造５０を有する。各並列の多数の流路構造５０は、それぞれが、隣接する様式で連続して配置された一連の１８個のチャンバ３４により形成された４つの並列の隣接した流路５２を有する。
この構成において、各々が異なる流路５２の一部である、互いに流体連通した４つの隣接したチャンバ３４は、一緒になって、流体が４つの並列な流路５２内における同じレベルで流動する多数の流路の基本デザインパターン５７を形成する。
図６の部分拡大図から分かるように、４つの並列の多数の流路構造５０の２つの隣接する基本デザインパターンの対の間、または多数の流路の基本デザインパターン５７の全てのチャンバ３４の間に、連通区域５４が形成されている。
本発明による多数の流路の手法の鍵となる利点は、所定の流量について圧力降下を著しく減少させることである。例として、図４から６に示されるようなチャンバ３４により形成される基本デザインパターンについて、二重流（図４に示されるような並列の２つの通路）により、たった１つの通路を有するパターン（図３）と比べて、２００ｍｌ／分で圧力降下を２．７分の１にすることができる。図５および６に示されるような４つの並列の流路を使用すると、さらに、２つの通路のパターと比べて２．５分の１、１つの通路と比べて６．８分の１に圧力降下がさらに減少する（図２０参照）。
この多数の流路の手法の鍵となる利点を強調する別の様式は、同じ圧力降下に対応する最大の作業流量を考察することである。図２１のデータは、１バールの圧力降下に対応する最大の可能な流量が、それぞれ、たった１つの通路を有するパターン（図３）については１２０ｍｌ／分、図４に示された並列の２つの通路を有するパターンについては２００ｍｌ／分、および図５と６に示された並列の４つの通路を有するパターンについては３５０ｍｌ／分であることを示している。
したがって、本発明による多数の流路の構造により圧力降下を著しく減少させられるので、これは、流体をポンプで注入するためのエネルギー消費を増加させずに化学生産スループットを増加させ、圧力降下を設備の典型的デザインの圧力未満に維持しおよび／または外的の数の増加(numbering up)によるシステムの複雑さを維持する効率的な様式である。
さらに、この高スループットデザインの手法の別の鍵となる利点は、圧力抵抗および混合／分散品質にどのような悪影響も与えずに、圧力降下を著しく減少させる（所定の流量で）ことである。そのため、特に以下に関して、妥協は必要ない：
圧力抵抗：一連の基本デザインパターン（例えば、図３から５のハート形のチャンバ３４）により形成される並列の通路内で実施することによって、並列の多数の流路構造５０が形成される。所定の圧力破壊(pressure rupture)に耐えることのできる基本デザインパターンを並列に配置することにより、総圧力破壊は減少せず、よって圧力抵抗は保持される。
分散（または混合）品質：基礎となる基本デザインパターンが保持されるので、混合効率は、従来の１つの通路のデザインに匹敵する。エマルションの場合、エマルションの品質は、溶媒とジオールの非混和性液体系を使用して評価した。エマルションを微細構造内で形成し、その微細構造から流出した流体を収集した。デカンテーションに必要な時間を、微細構造内に形成されたエマルションの品質の尺度と解釈した（時間がかかるほど、品質がよい）。図２２に報告されているように、図４に示された本発明による並列な２つの通路を有するデザイン（図２２の左側）は、図３に示された従来技術による１つの流路を有するパターン（図２２の右側）と同じ程度のよい結果を与えた。この試験において、１つの流路を有するデザインは、２つの流路を有するデザイン（１．１ｍｍ）よりも小さい内部通路高さ（１ｍｍ）を有する。通路の高さが低いほど、懸濁品質がよくなる。
２つの流路５２を有する並列の多数の流路構造５０に関して図７に示されるように、並列の隣接するチャンバ３４の間の連通区域５４は、異なる分布または物理的配置を有して差し支えない：
図７ａは、並列の多数の流路構造５０の多数の流路の基本デザインパターン５７の全ての２つの隣接する基本デザインパターン（チャンバ３４）の対の間に連通区域３４が形成されている構成であり、
図７ｂは、並列の多数の流路構造５０の上流部分に位置する最初の２つの多数の流路の基本デザインパターン５７の２つの隣接する基本デザインパターン（チャンバ３４）の対の間のみに連通区域３４が形成されている代替例を示しており、
図７ｃは、並列の多数の流路構造５０の多数の流路の基本デザインパターン５７の全ての２つの隣接する基本デザインパターン（チャンバ３４）の１つおきの対の間のみに連通区域３４が形成されている別の代替例を示している。
図８および９は、４つの並列の流路５２を有する並列の多数の流路構造５０を部分的に示している：
図８では、並列の多数の流路構造５０の多数の流路の基本デザインパターン５７の全ての２つの隣接する基本デザインパターン（チャンバ３４）の対の全ての間に連通区域３４が形成されており、
図９は、２つの隣接する基本デザインパターン（チャンバ３４）のいくつかの対の間のみに連通区域３４が形成されている：より正確には、流れの相互接続を形成する連通区域５４が千鳥配列で配置されている別の代替例を示している。
図２３を参照すると、２つの隣接する基本デザインパターン（チャンバ３４）の対の全ての間に連通区域３４を有する４つの並列の流路を備えた並列の多数の流路構造５０（図８）の流路の断面を通るミリリットル毎分で表された質量流量のシミュレーションが示されている。より正確には、質量流量は、並列の多数の流路構造５０の最初の４つのレベルの各チャンバ３４の出口部分で表されており、これらの位置は参照番号ｆｘｙを有し、ここで、ｘは流路５２に沿ったレベルの位置であり、ｙは横方向の位置である。図２３に示されたシミュレーションは、４つの並列の流路に関する流れの相互接続の効率を証拠付けている：入口に存在する（最初のレベルの断面ｆ１１，ｆ１２，ｆ１３およびｆ１４）流れの不釣り合いは、４つの流れの相互接続の後にほとんど完全になくなる（４番目のレベルの断面ｆ４１，ｆ４２，ｆ４３およびｆ４４は、非常に近い流量を有する）。
図１０Ａ〜１０Ｇは、本発明のいくつかの代わりの実施の形態による反応通路の部分を画成する、詳しくは、連続したチャンバ３４の代わりの形態を画成する、多数の代わりの壁構造の横断面図である。先の実施の形態に示されたチャンバは、ほぼ図１０Ｆのチャンバに相当し、ここで、支柱５８は、図１０Ａの実施の形態におけるようなより大きい開放区域または「自由範囲」を有するチャンバ３４に対して、チャンバ３４の圧力抵抗を増加させるように潜在的に働くであろう。他方で、支柱５８のない実施の形態は、支柱５８の上流に小さな死空間（流体の流れパターンにおいてゆっくりと動く地点）を有する傾向が少ないであろう。図１０Ｇの実施の形態は、分割し方向を変える壁４４の下流側に三角形の支持構造６０を含むことにより、死空間の虞の全てが実質的に避けられ、したがって、死空間に集まって反応体通路を塞ぐ傾向にある、固体の懸濁または沈殿反応などの固体を取り扱うために特に推奨される。
図１０Ｂの実施の形態において、分割し方向を変える壁４４は、４つの断片に分けられており、それゆえ、反応体通路を、分割し方向を変える壁４４の周りに２つの主要な副通路と、壁４４の断片の間で３つの補助副通路に分割する。補助副通路の小さなサイズは、微細なエマルションを維持するのに役立ち得る。
図１０Ｃの実施の形態において、分割し方向を変える壁４４は、非対称であり、特別に強烈な補助流を提供するように、連続したチャンバ３４において交互の側にずらされている。支柱５８も、交互の様式でチャンバ３４の中心からずれており、壁４４により形成された２つの副通路の大きい部分に位置することによって、支柱５８は追加の流動分割体として働く。
図１０Ｄおよび１０Ｅの実施の形態は、以下の違いはあるが、それぞれ、図１０Ｆおよび１０Ｂのものに対応する：先に記載された実施の形態の徐々に狭くなる出口４０は、チャンバ３４に流入する流れを細かく分割するように配置された小さな補助流動分割体６４が配設されたより広い出口６２により置き換えられ、それによって、エマルションまたは他の不混和性混合物を形成し、維持するのを補助する。
図１１から１３を参照すると、千鳥配列でいくつかの柱１６６が配置された、開放セル／空間１３４の形態にある、第２のタイプの基本デザインパターンが提案されている（図１１および１２には５つの柱１６６がある）。柱１６６は、反応体通路２６の高さを有し、細長く、流体の流動方向（図１１および１２の矢印）に対して平行である。
柱１６６は、流体の流路１５２に沿った乱流促進材またはスタティック・ミキサとして働く構造体である。これに関連して、柱は、乱流を促進するために、流体の流動方向に対して平行ではない部分を有するデザインを含む他のデザインを示しても差し支えない。
開放セル１３４は、流路１５２を形成するように連続して配置され、また横方向の垂直壁構造２８により制限されている多数の流路の基本デザインパターン１５７を形成するように並列に配置されている。
多数の流路の基本デザインパターン１５７を形成するように並列に配置された２つ（以上）の開放セル１３４は、横方向に揃えられても（図１３）、もしくは流体の流動方向に対して上流または下流に動かされても（図１２）差し支えない。
流路の基本デザインパターン１３４は、連続した真っ直ぐな通路または重要な真っ直ぐな部分を有する蛇行した通路（図１３）である、並列の多数の流路構造１５０を形成するために連続して配置されている。
柱１６６は、並列の多数の流路構造１５０の全ての横断面（全幅）において、少なくとも１つの柱１６６がある（図１２および１３）ように配列されている。
２つの隣接する基本デザインパターンの間の連通区域１５４または開放セル１３４は、これら２つの隣接する基本デザインパターンまたは開放セル１３４の各々の少なくとも２つの柱１６６、特に揃えられた２つの柱１６６の間に画成された開口または通路である。
本発明の第２の実施の形態を示す、図１３の柱の交互に配置された千鳥配列において、流体の流動方向に対して直角の開放セル１３４の各断面は柱の少なくとも一部分を含んでいる。図１３の並列の多数の流路構造１５０は、非常に単純な構造を有するマニホールド１５６の下流に配置された拡大された多数の流体流路を形成する。
柱１６６を有する開放セル１３４の形態にある第２のタイプのこれらの基本デザインパターンについて、流路１５２の副通路は、横方向にずらされた、すなわち、流路１５２に沿って揃えられていない柱１６６の間に、柱１６６により画成される。
第２のタイプの基本デザインパターン１３４は、特に、均一な流体の滞留時間のためのものである。
図１２および１３において、並列の２つの流路１５２があり、第２のタイプの２つのデザインパターンまたは開放セル１３４を有する各多数の流路の基本デザインパターン１５７は並列に配置されているが、２つより多くの開放セル１３４が、横方向の垂直壁構造２８の間に並列に配置されていても差し支えない。
図１４および１５は、基本デザインパターンの別の考えられる形態を示している：これは、第３のタイプまたは波状チャンバ２３４の基本デザインパターンである。この波状チャンバ２３４は流路部分を画成する。また波状チャンバ２３４は、流動方向において次第に拡大し次いで減少する幅を有し、この減少した幅は、同じデザインを有するそれに続く下流の波状チャンバ２３４の入口を形成する。
幅の変動により、壁構造の圧力抵抗をよくすることができる。さらに、そのような構造によって、より広い幅の位置での２つの並列の基本デザインパターンの間で接触が可能になり、このことは、共通壁とのこの接触位置に開口を形成することによるだけで、連通区域を形成する単純な方法である。
波状チャンバ２３４は、流路２５２を形成するように連続して、また多数の流路の基本デザインパターン２５７を形成するように並列に配置されている。この流路の基本デザインパターン２５７は、並列の多数の流路構造２５０を形成するように連続して配置されている。
図１４において、２つの隣接する基本デザインパターンまたは波状チャンバ２３４の間の連通区域２５４は、幅広部分に沿って接触した２つの隣接した波状チャンバ２３４の間の開口により形成されている。
図１５の代わりの形態において、波状チャンバ２３４は、１つの波状壁２２８が、２つの隣接する並列の流路２５２を区切るように働くように、２つの隣接する並列の流路２５２の間で流動方向に千鳥状になっている。言い換えれば、２つの隣接する並列の流路２５２は、容積２４内の反応体通路が占める空間を最適化する同じ１つの波状壁２２８の２つの反対の面により境界が定められている。
その場合、２つの隣接する基本デザインパターンまたは波状チャンバ２３４の間の連通区域２５４は、１つの波状壁２２８における開口により形成される。
図１５に示されるように、第３のタイプの基本デザインパターンまたは波状チャンバ２３４は、分割し方向を変える壁２４４を収容しても差し支えない。
多数の流路の基本デザインパターン２５７を形成するための並列に配置された２つ（以上）の波状チャンバ２３４は、横方向に揃えられても（図１４）、もしくは流体の流動方向に対して上流方向または下流方向に動かされていても（図１５）差し支えない。
図１４は、２つの並列の流路２５２の実施を示しており、図１５は、８つの並列の流路２５２の実施を示しているが、各並列の多数の流路構造２５０において、並列の流路のいずれを実施しても差し支えない。
先に示したように、第１のタイプの基本デザインパターンまたはチャンバ３４、第２のタイプの基本デザインパターンまたは開放セル１３４および第３のタイプの基本デザインパターンまたは波状チャンバ２３４は、混合および／または滞留時間を提供し、流路の方向に沿って一定ではない幅を有し、同じタイプの隣接する流路の別の基本デザインパターンと流れが相互接続することができる。
上述した並列の多数の流路構造による、混合および／または滞留時間を提供できる他の基本デザインパターン、特に、連続かつ並列に互いに隣接している基本デザインパターンを使用して差し支えない。
連通区域が、前記多数の流路の基本デザインパターンの２つの隣接する基本デザインパターンの間の直接の流れの相互接続により形成されることが望ましい。
各並列の多数の流路構造について、反応体通路２６を、並列の多数の流路構造内にある多くの流路に分割または分岐させるために、マニホールド５６，１５６，２５６が、並列の多数の流路構造の上流の反応体通路に沿って配置されている。
並列の流路の間の流れの不釣り合いを補正することのできる、隣接する並列の流路の間の流れの相互接続のために、マニホールドのデザインは、単純であり得、限定された精度でしか流体の物理的性質を考慮する必要がない。図１６は、マニホールド５６，１５６，２５６の３つの考えられる単純なデザインを示している。
これらの単純なマニホールドのデザインは、非化学反応依存性デザインであり、潜在的ないくつかの流れの相互接続が同様にマニホールド区域に入る（図１６Ｃ）。したがって、これらの単純なマニホールドのデザインは、異なる流れの不釣り合いを適応させ、均一な並列流れを生成する重要な表面は必要ない。
図１７（それぞれ図１８）は、図４（それぞれ図１３）に似ており、任意の多数の流路構造５０の上流に、反応体通路２６に沿って、混合部分６８が追加して配置されている。この混合部分６８は一連のチャンバ３４を含む。
図１９は、同じ数の並列の流路５２を持たない、いくつかの並列の多数の流路構造５０が連続して配置された、反応体通路２６の別の考えられるデザインを示している。この例においては、いくつかの並列の多数の流路構造５０は、２つの並列の流路５２を有し、別の並列の多数の流路構造５０は４つの並列の流路５２を有する。
本発明による他のデザイン、特に、１つの並列の多数の流路構造において他の数の並列の流路：例えば、３、５、６、８の並列の流路を有するデザインも可能である。
連通区域５４，１５４および２５４は、０．５から６ｍｍ、好ましくは１から５ｍｍ、より好ましくは１．５から３．５ｍｍの及ぶ長さを有する。
それぞれ、基本デザインパターン３４，１３４，２３４と連通区域５４，１５４および２５４の高さでもある、容積２４と反応体通路２６の高さは、０．８ｍｍから３ｍｍに及ぶことが好ましい。
連通区域５４，１５４および２５４は、０．１から６、好ましくは０．２から２に及ぶ高さ／長さ比を有する。
流路に沿った基本デザインパターンの幅は、１から２０ｍｍ、好ましくは３から１５ｍｍに及ぶ。
連通区域５４，１５４および２５４の位置での流路に沿った基本デザインパターンの幅と、連通区域の長さの間の比は、２から４０、好ましくは２から１４に及ぶ。
本発明によれば、２つの隣接した並列の流路５２，１５２，２５２を考える場合、並列の多数の流路構造５０，１５０，２５０の入口と出口の間のどこかに少なくとも２つの連通区域５４，１５４および２５４が配置されている。
流路に沿った基本デザインパターン、並列な通路の数、利用できる表面への全体的な実施およびマニホールドのデザインに応じて、完全に均一な流動分布を得るために、異なる数の連通区域５４，１５４，２５４が必要かもしれない。しかし、補正のほとんどは、通常、最初の２つの連通区域５４，１５４，２５４内で行われる。
本発明によるマイクロ流体デバイスは、１種類以上のガラス、ガラスセラミック、およびセラミックから製造されることが望ましい。垂直壁を形成する板の間に配置された、成形され固結されたフリットと共に、水平壁を形成するガラス板からそのようなデバイスを調製するプロセスが、例えば、「マイクロ流体デバイスおよびその製造」と題する米国特許第７００７７０９号明細書に開示されているが、製造はこの方法に限られない。
本発明のデバイスは、所望であれば、図示されたものに追加の層を備えてもよい。
ここに用いたような「反応体」は、マイクロ流体デバイス内で使用することが望ましい考えられる任意の物質の省略表現である。それゆえ、「反応体」および「反応体通路」は、不活性材料およびそのために使用される通路を称する。
１０ マイクロ流体デバイス
２６ 反応体通路
３４，１３４，２３４ 基本デザインパターン（チャンバ、開放セル、波状チャンバ）
５０，１５０，２５０ 並列の多数の流路構造
５２，１５２，２５２ 並列の流路
５４，１５４，２５４ 連通区域
５６，１５６，２５６ マニホールド

Claims (10)

  1. 壁により画成され、少なくとも１つの並列の多数の流路構造（５０；１５０）を含む少なくとも１つの反応体通路（２６）を備えたマイクロ流体デバイス（１０）であって、該並列の多数の流路構造（５０；１５０）は、流路（５２；１５２；２５２）を構成すると同時に、前記並列の流路（５２；１５２；２５２）において多数の流路基本デザインパターン（５７；１５７；２５７）を構成するように、流体連通して連続して配置された前記流路（５２；１５２；２５２）の基本デザインパターン（３４；１３４；２３４）の群を含み、該基本デザインパターンは、混合および／または滞留時間を提供することができ、前記並列の多数の流路構造（５０；１５０）は、２つの隣接する並列流路（５２；１５２；２５２）の基本デザインパターン（３４；１３４；２３４）の間に少なくとも２つの連通区域（５４；１５４；２５４）を備え、該連通区域（５４；１５４；２５４）は、該連通区域（５４；１５４；２５４）が間に配置された前記基本デザインパターン（３４；１３４；２３４）により画成されたのと同じ平面にあり、同じ流動方向を有する前記隣接する並列な流路（５２；１５２；２５２）の間の質量流量差を最小にするために流体の通過を可能にするものであるマイクロ流体デバイス。
  2. 前記反応体通路（２６）を、前記並列の多数の流路構造（５０；１５０）内にある多くの流路（５２；１５２；２５２）に分割するために、該並列の多数の流路構造（５０；１５０）の上流の該反応体通路（２６）に沿って少なくとも１つのマニホールドが配置されていることを特徴とする請求項１記載のマイクロ流体デバイス。
  3. 前記基本デザインパターン（３４；１３４；２３４）が、前記流路（５２；１５２；２５２）の方向に沿って一定ではない幅を有することを特徴とする請求項１または２記載のマイクロ流体デバイス。
  4. 前記連通区域（５４；１５４；２５４）が、前記多数の流路基本デザインパターン（５７；１５７；２５７）の２つの隣接する基本デザインパターン（３４；１３４；２３４）の間に壁がない流路部分を介した流れの相互接続によって形成されることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載のマイクロ流体デバイス。
  5. 前記並列の多数の流路構造（５０；１５０）の２つの隣接する並列の流路（５２；１５２；２５２）の対の全ての間に少なくとも２つの連通区域（５４；１５４；２５４）が形成されることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のマイクロ流体デバイス。
  6. 前記連通区域（５４；１５４；２５４）が、前記並列の多数の流路構造（５０；１５０）の２つの隣接する基本デザインパターン（３４；１３４；２３４）の対の全ての間に形成されることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のマイクロ流体デバイス。
  7. 前記連通区域（５４；１５４；２５４）が、前記並列の多数の流路構造（５０；１５０）の上流部分に沿って位置する少なくとも２つの多数の流路基本デザインパターン（５７；１５７；２５７）の２つの隣接する基本デザインパターン（３４；１３４；２３４）の対の全ての間に形成されることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のマイクロ流体デバイス。
  8. 前記連通区域（５４；１５４；２５４）が、前記並列の多数の流路構造（５０；１５０）の上流部分に沿って位置する少なくとも最初の２つの多数の流路基本デザインパターン（５７；１５７；２５７）の２つの隣接する基本デザインパターン（３４；１３４；２３４）の対の全ての間に形成されることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載のマイクロ流体デバイス。
  9. 前記連通区域（５４；１５４；２５４）が、０．５から６ｍｍに及ぶ長さを有することを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載のマイクロ流体デバイス。
  10. 前記連通区域（５４；１５４；２５４）が、０．１から６に及ぶ高さ／長さ比を有することを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載のマイクロ流体デバイス。
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