JP2014502559A - マイクロ流体素子、複数のマイクロ流体素子から構成される反応器、及びそれらの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、金属シートによって製造されマイクロ流体素子に関する。金属シートは、閉じた流路を有し、閉じた流路は、金属シートの第１区域の構造化された表面及び隣の金属シートの第２区域の構造化されたまたは構造化されていない表面によって形成される。金属シートは、互いに一体的に連結された区域が、表面が平行となるように重なり合う。金属シートはさらに、輪郭端部を有する第３区域を少なくとも有し、第３区域はまた表面が平行となるように支持され、輪郭端部は、開いた流路の第１の壁部を形成し、第１区域または第２区域の隣の構造化されたまたは構造化されていない表面は開いた流路の第２の壁部を形成する。
【選択図】図１Ｆ

Description

本発明は、特に、閉じた流路を構成する構造を有する金属シートによって製造されるマイクロ流体素子に関する。本明細書の文中における“マイクロ流体素子”またはマイクロ流体構造を有する素子は、モジュール設計された、マイクロ反応器、マイクロ熱交換器、マイクロ混合器等の素子を意味し、一般的に流路と呼ばれる、チャンネル、ポケットまたは他のくぼみのような素子の表面に組み込まれたマイクロ構造は、ナノメーターからミリメーターの範囲の寸法を有し、特に横方向に１００ｎｍから１ｍｍの寸法を有する。横方向は、少なくとも、主要な流れ方向に対して直角に走る方向を意味する。ポケット状の幅広の構造の場合における上述の特徴は、それらの最小の寸法、すなわち、それらの深さ寸法に関する。金属シートのあらゆる穿孔は、この定義の意味における表面構造としてみなされない。

本明細書における“流路”は、流体を保持する、および／または、搬送する、あらゆる与えられた幾何学形状の総称として用いられる。例えば、ポケット、チャンネル、チューブ等である。開いた流路及び閉じた流路の間で識別がされる。“開いた流路”は、ここでは、あらゆる入口及び／または出口を除いて、少なくとも一方の端部が開いた流路を意味する。一方、“閉じた流路”は、あらゆる入口および／または出口を除いて、壁部によって全ての側面が結び付けられた空洞を意味する。

マイクロ流体構造及びその製造方法は、独国特許発明第１０１０８４６９号明細書に記載されている。そこで公開されているエンボス加工方法によって、さまざまな開いた構造の要素が、金属シートの表面にエンボス加工され得る。これによって、マイクロ流体素子に開いた流路を設けることができる。上述した定義の意味において、この教示によって製造されたマイクロ流体素子は、閉じた流路を有さないため、請求項１の権利化された物の類概念に含まれない。

閉じた流路及びその製造品は、例えば、独国特許出願公開第１９６４３９３４号明細書から公知である。製造工程の成果物は、一緒に結合されともに校正装置を通る２枚の金属シートを組み合わせた金属シートであって、それらの１つは、２つの互いに噛み合った輪郭ローラーによって、前もって波形形状にエンボス加工される。いくつかのそのような金属シートの組み合わせは重なり合わされ、波形形状を有するシート及び平らなシートが交互に入れ替え、巻き上げ、例えば自動車の排気システム内の触媒コンバータとして供給するための被膜チューブ内のハニカム体として用いられる。上記明細書において、構造化された金属シートの製造について説明されているが、明らかにマイクロ流体素子として、考えられないだろう。しかしながら、そこに記載された方法は、同様に、マイクロ流体素子に本質的に適用されうる。しかしながら、その方法はこのようなハニカム体の製造にほぼ排他的に適している。また、より複雑な構造はそこに記載された方法によっては製造することができない。

触媒反応のための反応器の構成は、欧州特許出願公開第０８８５６５３号明細書の明細書から公知である。反応器はスタック形状であり、曲がりくねるように折られた隔壁及び折り目に挿入される波形形状の金属シート要素から製造される。ここで、異なった構造はまた、波形形状の異なる断面にのみ限られる。

さらに、もし波形構造の横方向に流体を分配するために位置する構造要素（分配チャンネル）または他の流路が設けられる必要があれば、これらがどのくらい容易に構成されるかは明らかでない。

熱交換器は、国際公開第２００５／０８８２２３号から公知であり、複数積み重ねられ相互に連結されて、特に溶接された複数の長方形のディスクから組み立てられる。ディスクは順に、曲がった端に沿って折られた２つの半分のディスクから成り立っており、２つの半分のディスクの表面が、互いに表面が平行となるように重なり合い、それを介して冷却される媒体を案内するために複数の溝からなる空洞を囲むように、２つの半分のディスクは、折れ線に沿って折られる。

独国特許発明第１０３５７０８２号明細書によって、折り線に沿って半分に折られ折り線に沿って丸められた長方形状の金属箔要素によって作られたガイド部品を有するらせん状の熱交換器は公知である。金属箔要素は、折り線に沿って２つに分割され、一方の側は一方のサイドに凹部を有し、他方の側は他方のサイドに凹部を有し、折り線から当該折り線の反対側に配置される金属箔要素の端部に設けられる流体通路として伸びる。

前述の明細書から知られる方法に加えて、マイクロ流体構造の製造のための多くの材料除去の方法が知られている。それらは、電気的、化学的、電気化学的、または機械的な材料除去工程に基づく。しかしながら、これらの方法は、工程が比較的長時間を必要としそれゆえ経済的な大量生産は不可能であるという共通の欠点を有する。

この背景に対して、本発明の課題は、より多様な構造特性を有する単純なマイクロ流体素子、複数のそのようなマイクロ流体素子を有するマイクロ流体反応器、及びそれらの低コストの製造方法を提供することである。

これらの課題は、独立請求項１及び２の特徴を有するマイクロ流体素子によって解決され、請求項８の特徴を有するマイクロ流体反応器によって解決され、また独立請求項１０及び１１による方法によって解決される。従属項に係る発明は、好ましい修正項目である。

本発明の一実施形態は、閉じた流路を構成する構造体を有する金属シートによって形成され、前記閉じた流路は、前記金属シートの第１区域の構造化された表面と、前記金属シートの隣の構造化されたまたは構造化されていない表面と、から構成され、互いに一体的に連結される前記第１区域及び第２区域が表面が平行に重なり合うように、前記金属シートが折られるマイクロ流体素子である。

“金属シートの区域”は、ここでは一体の金属シートの一部を意味する。“表面”は、ここでは金属シートのそれぞれの区域の上側または下側の表面を意味する。“構造化されていない表面”は、機能的な構造を有さない表面を意味する。ブランク材の構造体の製造において、こすられた、磨かれた、または巻かれた金属シートの粗さ、または同様のものは、機能的な構造ではない。それゆえ、このような表面は構造化されていないと言える。これに反して、“構造化された表面”は、ここでは、特に流路のような表面構造が導入された流動的な機能を有する表面を意味する。

本発明に係るマイクロ流体素子の製造方法では、構造化された表面を有する少なくとも１つの第１区域と、構造化されたまたは構造化されていない表面を有する少なくとも１つの第２区域と、が設けられた金属シートは、前記第１区域が前記第２区域に対して表面が平行に重なり合うように折られ、前記第１区域の前記構造化された表面は、前記第２区域の隣接する前記構造化されたまたは構造化されていない表面とともに、閉じた流路を形成する。

周知の先行技術と異なり、表面が平行となるように一体的に連結された金属シートの２つの区域から製造される本発明に係るマイクロ流体素子は、折れ線に沿って金属シートを折る簡単な方法で、形成される。結果として、簡単な方法で、１つまたは複数の閉じた流路を有する複数の複雑なマイクロ流体素子を製造することができる。一体の部品であるマイクロ流体素子が例えばさらにマイクロ流体反応器を構成することは、より製造が容易となる有利な点がある。

製造方法において、折る工程の前に、エンボス加工工程によって構造化された表面を作ることは有利である。特に好ましくは、構造化された表面は、波形構造をエンボス加工することによって製造される。

エンボス加工して形成する方法を用いる上述した２つの方法において、複数の構造、特に開いた流路及び閉じた流路を実現し得る低コストのマイクロ流体素子を製造することができる。

“エンボス加工”は、ここでは、金属シートに表面構造を付与する全ての成形方法の総称として使用される。これは、エンボス加工（加圧成形）の意味において、金属シートの一方の面のみにくぼみが生じ、反対の面は平坦または異なる構造が与えられる。これはまた、深絞り加工、ポンチ及び金型の間の金属シートの引張成形及び深絞り加工（引張圧縮再形成）の組み合わせ、または、例えば２つの互いに噛み合ったロール間の金属シートの曲げ加工を含み、金属シートは前後において相補的構造が与えられる。容易のため、ここでは一般的に“エンボス加工された表面”と称する。

本発明の第２実施形態によれば、マイクロ流体素子は金属シートを有し、金属シートは、輪郭端部を有する少なくとも１つの区域（第３区域）と、構造化されたまたは構造化されていない表面を有する少なくとも１つの区域（第１区域及び／または第２区域）と、を有し、互いに一体的に連結される区域（第１区域及び第３区域または第２区域及び第３区域）が、表面が平行に重なり合うように折られ、輪郭端部は開いた流路の第１の壁部を形成し、隣の構造化されたまたは構造化されていない表面は開いた流路の第２の壁部を形成する。

マイクロ流体素子を製造する本発明の対応する方法では、輪郭端部を有する少なくとも１つの区域（第３区域）と、構造化されたまたは構造化されていない表面を有する少なくとも１つの区域（第１区域及び／または第２区域）と、が設けられた金属シートが、前記輪郭端部を有する区域（第３区域）が構造化されたまたは構造化されていない表面を有する区域（第１区域及び／または第２区域）に対して表面が平行に重なり合うように、折られ、前記輪郭端部は開いた流路の第１の壁部を形成し、（折り工程後の）隣の構造化されたまたは構造化されていない表面は前記開いた流路の第２の壁部を形成する。

本明細書における“端部”は、金属シートの縁に沿う表面であって、一般的に金属シートの主面に対して垂直であり、例えば、金属シートが打ち抜き加工された際に生じる。“金属シートの縁”は、金属シートの主面に垂直に突き出るへりを意味する。本明細書における“輪郭端部”は、最も単純な場合では、直線状の端部である。輪郭端部は、一般的に、あらゆる与えられた機能的に必須のまたは要求されたカーブに従う。“壁”及び“壁部”は、ここでは、流路の空間的な境界要素を意味する。一方、流路は、一般に複数の壁部によって定義される。

輪郭端部は、折る工程の前に打ち抜き工程において形成されることが好ましい。

このように、エンボス加工技術及び成形加工技術を、打ち抜き工程と一緒に使用することによって、複数の構造、特に開いた流路を実現し得る低コストのマイクロ流体素子を製造することができる。

本発明の特に好ましい他の形態によれば、マイクロ流体素子は前述の側面の両方が組み合わされる。この場合、閉じた流路は、上述したように、金属シートの第１区域の構造化された表面と、金属シートの第２区域の隣接する構造化されたまたは構造化されていない表面と、から形成される。さらに、金属シートは、輪郭端部を有する少なくとも１つの第３区域を有し、互いに一体的に連結される第１区域及び第３区域、並びに／または、第２区域及び第３区域が、表面が平行に重なり合うように折られ、第３区域の輪郭端部は開いた流路の第１の壁部を形成し、隣の構造化されたまたは構造化されていない表面は開いた流路の第２の壁部を形成する。

本発明に係る対応する方法では、上述のように、構造化された表面を有する少なくとも１つの第１区域、及び構造化されたまたは構造化されていない表面を有する少なくとも１つの第２区域が設けられる金属シートは、輪郭端部を有する第３区域を有し、さらに、輪郭端部を有する第３区域が構造化されたもしくは構造化されていない表面を有する第１区域及び／または第２区域に対して表面が平行に重なり合うように金属シートは折られ、輪郭端部は開いた流路の第１の壁部を形成し、（折る工程後の）隣接する構造化されたまたは構造化されていない表面は開いた流路の第２の壁部を形成する。

本発明の両方の側面の利点の結合によって、構造要素のより多様な種類の製造を可能とする。最も好適な形態は、閉じた流路が開いた流路に流入する閉じたチャンネルを形成するように金属シートを折ることである。

折られたマイクロ流体素子に対応する１つの実施形態において、開いた流路は、いくつかの閉じたチャンネルから流体を寄せ集める収集構造、または、いくつかの閉じたチャンネルに流体を分配する分配構造である。収集構造は、通常最初は幅が広く、流れ方向に沿って狭くなり、いくつかの閉じたチャンネルに流入し、そこで流体はこれらのチャンネルから寄せ集められ、１つ以上のドレイン流路に配達される構造を意味する。同様に、分配構造は、通常流れ方向に沿って幅が広がり、１つ以上の導入流路に流入し、これらの導入流路からの流体は、いくつかの閉じたチャンネルに分配される構造を意味する。したがって、収集構造及び分配構造は、そもそも、流体の流れ方向に関して機能的に異なる。構造的には、同一であり得る。

ここで“チャンネル”とは、縦に伸びる、通常、毛細管現象を奏する流路を記載するために使用される。それゆえ“閉じたチャンネル”は、入口及び出口の端部における開口部を除く周囲について境界が設けられたチューブ状の流路を意味する。“開いたチャンネル”は、周囲の少なくとも１つの面が開いたグルーブのような流路を意味する。

上述したマイクロ流体素子は、打ち抜き加工工程、エンボス加工工程、及び折る工程を進化した複合型によって連続的に行うことによって、特に低コストかつ高効率に製造され得る。これによって大量生産さえ可能である。

第１区域の構造化された表面及び／または第２区域の構造化されたもしくは構造化されていない表面は、少なくとも閉じた流路及び／または開いた流路の領域において、コーティングがされる。しかしながら、触媒は、通常構造化されていない表面に悪影響を与えるように付着し、さらに発熱化学反応または吸熱化学反応は構造化されていない表面の領域において行うべきではないため、構造化された表面にのみコーティングされることが好ましい。

したがって、本発明に係る方法では、第１区域の構造化された表面及び／または第２区域の構造化されたもしくは構造化されていない表面は、少なくとも、閉じた流路及び／または開いた流路の領域にのみコーティングされる。

ブランク材へのコーティング工程は、配置される層の強度及びマイクロ流体素子の複雑さに依存して、表面が構造化された後またはマイクロ流体素子が完成した後に、行われ得る。表面は、シルクスクリーン工程によってコーティングされる。

本発明の他の側面は、上述したマイクロ流体素子を複数有するマイクロ流体反応器であって、複数のマイクロ流体素子は積み重ねられ、特定の開口部を除いて、周囲に沿って流体密封して連結される。このマイクロ流体反応器は、折り工程後におけるマイクロ流体素子が積み重ねられ、特定の開口部を除いて、周囲に沿って流体密封して連結される工程において製造される。

マイクロ流体反応器は、ここでは、化学的または生化学的プロセスのためのマイクロリアクター、マイクロ熱交換器、またはマイクロ混合器を有する。

接続方法として、半田付けの接続を考慮することができるが、例えば半田付け接続が触媒材料と相いれないときは、好ましくは溶接接続である。複数のマイクロ流体素子は、レーザー溶接されることが特に好ましい。

対応するマイクロ流体反応器において、上述の開いた流路を有する複数のマイクロ流体素子の少なくとも１つは、開いた流路及び隣接するマイクロ流体素子の第１区域または第２区域の構造化されたまたは構造化されていない表面が閉じた流路を形成するように、隣のマイクロ流体素子に隣接する。

言い換えれば、マイクロ流体素子が積み重ねられて組立てられる場合にのみ、反応器は全てのマイクロ流体構造が完全に形成されることを要求される。

一般的なマイクロ流体素子及びマイクロ流体反応器内における使用する際の所望のマイクロ流体素子にとって、０．１ｍｍから１ｍｍの間の材料厚さを有するロール状の金属シートが好ましい。エンボス加工された表面構造、または波形形状に描かれたもしくは曲げられた表面構造に依存して、より太いまたはより細い金属厚さが選択される。波形形状を有する金属シートにとって、シート厚さは０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの間で、機能上の観点から０．１ｍｍ〜０．３ｍｍの間が特に好ましい。

開いた流路または閉じた流路の幅は、完成品によって変化することができる。開いたチャンネルまたは閉じたチャンネルの場合、幅及び深さは１００ｎｍ〜１ｍｍの範囲が好ましく、２５μｍ〜１ｍｍの範囲が特に好ましい。分配構造のようなポケット状の構造体の場合、構造体の深さは少なくとも上述した範囲にある。

本発明に係るさらなる特徴及び効果は、図面の助けを借りて、サンプルの実施形態によって、以下より詳細に説明される。

本発明のマイクロ流体素子の６つの独自なステップの１番目における製造方法を示す。 本発明のマイクロ流体素子の６つの独自なステップの２番目における製造方法を示す。 本発明のマイクロ流体素子の６つの独自なステップの３番目における製造方法を示す。 本発明のマイクロ流体素子の６つの独自なステップの４番目における製造方法を示す。 本発明のマイクロ流体素子の６つの独自なステップの５番目における製造方法を示す。 本発明のマイクロ流体素子の６つの独自なステップの６番目における製造方法を示す。 折り工程後のマイクロ流体素子の実施形態の断面図を示す。 折り工程後のマイクロ流体素子の異なる実施形態の断面図を示す。 折り工程後のマイクロ流体素子の異なる実施形態の断面図を示す。 折り工程後のマイクロ流体素子の異なる実施形態の断面図を示す。 複数のマイクロ流体素子を有するマイクロ流体反応器を示す分解組立図である。 第１実施形態に係るコーティングされたマイクロ流体素子のスタックの断面図である。 第２実施形態に係るコーティングされたマイクロ流体素子のスタックの断面図である。 第３実施形態に係るコーティングされたマイクロ流体素子のスタックの断面図である。

図１Ａ〜図１Ｆは、順に、プレート、ブランク材、中間生成物、及び本発明に係る製造方法によって製造されたマイクロ流体素子の最終生成物を示す。

図１Ａは、好ましくは精錬鋼シートである金属片１０の切り出しを示し、マイクロ流体素子の製造のために明確な外観形状を有するブランク材は、点線の曲線１２に沿って切り離される。「切り離される」とはここでは、押し抜き、ノコギリカット、レーザーカット、切断のようなさまざまな分離工程の総称であり、ここでは、押し抜きが好ましい。金属片は、例えば、大概いわゆる「コイル」に巻かれた長い帯状の構成からほどかれて供給される。

図１Ａに示される金属片の代わりに、複数のブランク材が幅広のシートから押し抜きされてもよく、また個々のブランク材が切断されたプレートから押し抜きされてもよい。構造体の材料の選択は、周辺部、機械／設備の有効性、ブランク材の要求される外観形状、及び付随する切断パターンの最適化（廃棄物の最小化）、すなわち、製造工程の簡略さに依存する。

材料には、ハンダ付けや溶接して、流体密封することが求められ、特に、レーザー溶接によって、触媒材料が好適に付着すること、反応熱に対する耐熱性を有することが求められる。

ブランク材を押し抜きすることは、例えば、予め加工されたブランク材が最初の材料である場合には必ずしも本発明の製造方法の一部として必要ではない。しかしながら、押し抜きが製造工程としてまとめられる進化した複合の金型を用いるときは、本発明の製造方法の一部としてカウントされ得る。押し抜き自体は、いくつかの工程において行われうる。押し抜き及びエンボス加工は、連続的に起こりうる。

ある方法または別の方法によって製造されたブランク材からスタートし、図１Ｂに示す中間生成物となり、中間生成物は、構造化された表面を有する第１区域２１、隣接し構造化されていない表面を有する第２区域２２、及び外側に輪郭端部２５，２６を有する２つの第３区域２３，２４に、機能的に分けられる。第１区域２１の構造化された表面は、第１区域２１の長手方向に直交するマイクロチャンネルを有する。

マイクロチャンネルは、押し抜きが行われた後に、シート部分の一方の面をエンボス加工されて、または公知の化学的、電気的、化学電気的、または機械的な材料除去方法によって構造化された表面が取り入れられる。後者の方法は、大量生産において一般的ではないが、本発明はそのような工程を除外するものではない。もちろん、好適な結果を提供するときは、エンボス加工方法が経済的な（大量）生産に好ましい。

一方の面に構造化された表面が取り入れられたマイクロ構造体の代わりに、構造化された表面は、すべてのシート部分の波形形状を構成してもよい。すなわち構造化された表面構造は、シート部分の両面に設けられる。ここで使用される成形方法は、深絞り、ストレッチ成形及び深絞りの組み合わせ、またはプロファイルローリング（曲げ）である。

続いて、図１Ｃ及び図１Ｄは、第３区域２３，２４が第２区域２２の構造化されていない表面と平行に重なり合うまで、金属シートが定義された曲げ線（不図示）に沿ってそれぞれ９０度ずつ折り曲げられる成形工程を説明するために使用される。この状況は図１Ｄに描かれる。この状況において、第１区域２２の構造化されていない表面に対して、第３区域２３，２４の輪郭端部２５，２６に沿って、突起が形成される。

２つの続く作業工程において、第１区域２１の構造化された表面が、第２区域２２の構造化されていない表面と平行に重なり合うように、定義された曲げ線（不図示）に沿って、９０度ずつ折られる。この状況は、図１Ｆに描かれる。この状況において、マイクロ流体素子の製造は終了する。

第１区域、第２区域、及び第３区域は単一の部材として結合される。第１区域２１の表面上で折られる前にオープンであったマイクロチャンネルは、第２区域２２に面する表面上に折られた後に閉じたチャンネルを形成する外観となり、第1区域２１の構造化された表面と第２区域２２の構造化されていない表面とは隣接する。

第３区域２３，２４の輪郭端部２５，２６は、図１Ｆの曲げられた状態において、第１の壁部を形成し、第１の壁部は、第２区域２２の構造化されていない表面上に、原則垂直に立つ。第２区域２２の構造化されていない表面は、第２の壁部を形成する。２つの壁部は、第１区域２１によって分離される２つのくぼみ２７、２８によって形成される開いた流路を定義する。

第１区域２１は、第２区域２２に隣接する位置及び第２区域２２から離れた位置の端部に、突出部２９，３０を有する。２つの第３区域２３，２４は、それぞれ似た形状の突出部３１，３２を有し、それぞれの突出部３１，３２は、本発明の意味での輪郭端部の一部を定義する。突出部２９，３０も同様に、本発明の意味において、輪郭端部を定義する。全ての４つの突出部は、共に、対角線上の反対側に設けられる流体の入口及びドレインとして設けられる開口部３３，３４を除いて、くぼみ２７，２８の境界となる。くぼみ２７，２８はそれぞれ、本明細書の意味において、開いた流路を形成する。くぼみ２８は、流体の流れを分配する分配構造としての機能があり、例えば、開口部３４（入口）からくぼみ２８を通り、第１区域２１及び第２区域２２の間においてくぼみ２８に流入させる閉じたチャンネルに分配され、これらのチャンネルによって、第２の開いた流路２７に輸送される。このように、くぼみ２７は、くぼみ２７に流入させる閉じたチャンネルからの流体を収集する収集構造として設けられる。収集された流体は、開口部３３（ドレイン）を介して、最終的に取り去られる。矢印は、流体の流れ工程を示す。くぼみ２８（分配構造）及びくぼみ２７（収集構造）は、流体の流路方向のため機能の面においてのみ異なる。構造的に、それらは同一である。

図１Ａ〜図１Ｆは、本発明において、個別のマイクロ流体素子が工業的に金属シートの製造技術によって連続的に製造されることを明らかにしており、マイクロ流体素子のマイクロ構造体は、マイクロチャンネルに限定されるわけでなく、例えば流体分配器のようなマイクロ構造要素をも含む。

例えば、図１Ｆのマイクロ流体素子は、広い意味のマイクロ流体反応器の構成として使用されうる。このようなマイクロ流体反応器において、同様のまたは異なった構造及び機能を有する複数のマイクロ流体素子が重ね合わされる。開いた流路を有するそれぞれのマイクロ流体素子が、隣接するマイクロ流体素子の（構造化されたまたは構造化されていない）表面によって閉じられるように、隣接するマイクロ流体素子は配置される。特に閉じるために、本発明の意味におけるマイクロ流体素子は、カバー素子として構成される。この手段について、図７及び図８を参照して後述する。

マイクロ流体反応器の適用目的から、図１Ｆの構成において、第１区域２１の構造化された表面及び／または、まれに第２区域２２の構造化されていない表面に、触媒がコーティングされていることが好ましい。コーティング方法として、シルクスクリーン技術が用いられることが好ましい。

図２〜図５には、本発明に係るマイクロ流体素子の例として、４つの異なる折られた断面図が示される。図２には、金属シートが構造化された表面を有する第１区域４１及び構造化されていない表面を有する第２区域４２を有する、マイクロ流体素子が示される。２つの区域４１、４２が１つの部材として表面が平行に重ね合わさって連結されるように、金属シートは、折端４４に沿って折られる。このように、第１区域４１の下面に設けられた構造化された表面４５は、第２区域４２の上面に設けられた構造化されていない表面４６とともに、閉じられた流路４８を形成する。第１区域４１は、波形形状に構造化されており、このため、第１区域４１の上面４９上でさえ、折られた後に、開いた流路を形成する構造要素を有する。

図３に示されるように、マイクロ流体素子の実施形態の一例は、輪郭端部５０を有する区域５２及び構造化されていない表面５４を有する区域５６が設けられた金属シートを構成する。シートは、曲げ端５７に沿って折られ、一体的に連結された区域５２及び区域５６は、表面が平行に重ね合わされ、輪郭端部５０は、開いた流路５８の第１の壁部を形成し、区域５６の構造化されていない表面５４は、開いた流路５８の第２の壁部を形成する。

図１Ａ〜図１Ｆのマイクロ流体素子は、図２及び図３に説明される本発明の両方の側面に兼ね備えられる。

図４に示されるマイクロ流体素子の実施形態の一例は、図３のマイクロ流体素子に似た構成を有する。輪郭端部６０を有する区域６２及び構造化された表面６４を有する区域６６が設けられた金属シートから構成される。表面６４が構造化されている点において、図３と異なる。２つの区域６２及び６６は、同様に、折端６７に沿って折られ、それらは表面が平行に重なり合い、輪郭端部６０は、開いた流路６８の第１の壁部を形成し、構造化された表面６４は、開いた流路６８の第２の壁部を形成する。波形形状のおかげで、複数の開いた流路は、表面６４上に形成され、第１流路６８´にのみ輪郭端部６０によって境界が設けられる。区域６６の構造は同様に波形形状であるため、区域６６の下面の構造化された表面は、開いた流路６９を提供する。

図５に示されるマイクロ流体素子の実施形態の一例は、曲げ端７４に沿って折られた第１区域７１及び第２区域７２が設けられた金属シートを構成し、一体的に連結された第１区域７１及び第２区域７２は、表面が平行に重ね合される。第１区域７１は構造化された表面７５を有し、第２区域７２は同様に構造化された表面７６を有する。構造化された表面７５，７６は、折られた後に、互いに隣接し、閉じた流路７８を形成する。

明らかなことだが、あらゆる構造要素は、図２〜図５に示されるそれぞれのマイクロ流体素子の表面においてエンボス加工される。特に、図２〜図５に示される構造化された区域はそれぞれ波形形状を有し、波形形状は例えば、金属を曲げるまたは深絞りして形成され、その結果、区域の２つの表面上の構造は相補型の特徴を有する。しかしこれは、１つの選択肢にすぎない。上述したように、対応する区域は片側にエンボス加工がされてもよい。この例は、図８において説明される。

ここで説明されるすべての例において、第３区域２３，２４，５２，６２は曲げ端と比較して短く、比較的長い曲げ端に沿って折られる。しかしながら、必ずしもこのような限定はされない。当業者であれば、要求に応じて、かつ効率良く、切断パターン及び折りパターンを選ぶことができる。

図６は、本発明のマイクロ流体反応器の実施形態の一例を示す分解組立図である。この例において、マイクロ流体反応器８０はいわゆる、平板状の熱交換反応器である。マイクロ流体反応器８０は、例示されるように、３つの異なるマイクロ流体素子８１，８２，８３から構成され、重ね合わされることによってアッセンブリ―され反応器モジュール８４を構成する。複数の反応器モジュール８４は、順に積み重ねられ、特定の開口部を除いて、周囲に沿って流体密封して溶接され、反応器スタックを構成する。流体を導入するために、反応器スタックの高さ方向に沿って半分に切断されたチューブ８５が反応器スタックの２つの反対の端部において溶接されて取り付けられ、チューブ８５は、マイクロ流体素子と同じ材料、すなわち精錬鋼シートからなることが好ましい。好ましくは精錬鋼からなる流体分配ボックス８６は、チューブ８５と垂直方向に反応器スタックの端面に沿って横たわった状態で、溶接されて取り付けられ、それぞれには流体入口及び流体出口が設けられる。

このように３つのマイクロ流体素子から構成される反応器モジュール８４は、図７に断面図として示される。本実施形態に係る反応器モジュール８４は、重ね合わされた３つの異なるマイクロ流体素子、すなわち、改良（ｒｅｆｏｒｍｅｒ）モジュール９０、バーナー（ｂｕｒｎｅｒ）モジュール１００、及びカバーモジュール１１０から構成される。これらの配置の仕方が、図７に示される。改良モジュール９０は、原則として、図４に示すデザインに対応し、輪郭端部９３を有する区域９２及び構造化された表面９５を有する区域９４を有する。区域９４は金属シートを波形形状に伸ばして形成され、これによって区域９４の反対面９６は相補型の構造を有する。

バーナーモジュール１００は、図２のデザインに対応し、構造化された表面１０３を有する第１区域１０２と、構造化されていない表面１０５を有する第２区域１０４と、を有する。第１区域１０２は波形形状を有し、バーナーモジュール１００の外面に、構造化された表面１０６を有する。例えば、バーナーモジュール１００は、図１Ａ〜図１Ｆのマイクロ流体素子のように組み立てることが出きる。バーナーモジュール１００は、ここに示される断面と垂直な断面に沿う輪郭端部が設けられ、開いた流体分配器を定義する３つの区域を有する。

カバーモジュール１１０は、図３のデザインに対応するマイクロ流体素子である。カバーモジュール１１０は、輪郭端部１１３が設けられた区域１１２及び構造化されていない表面１１５が設けられた区域１１４を有する。

３つのマイクロ流体素子は、カバーモジュール１１０の構造化されていない表面１１５が、バーナーモジュール１００の外面の構造化された表面１０６に隣接するように重なり合って積層される。さらに改良モジュール９０の区域９４の構造化された表面９５は、バーナーモジュール１００の第２区域１０４の構造化されていない外面と隣接する。

このような反応器モジュール８４のスタックにおいて、改良モジュール９０の上面は、隣の反応器モジュールの、破線で示される、カバーモジュール１１０´の構造化されていない底面と隣接する。

この構成において、改良モジュール９０の構造化された内側の表面９５によって構成された開いた流路は、バーナーモジュール１００の第２区域１０４の構造化されていない外面１０７と一緒になり、改良モジュール９０の構造化された外側の表面９６によって構成される開いた流路は、隣のカバーモジュール１１０´の構造化されていない外面と一緒になり、バーナーモジュールの閉じた流路９７を形成する。流れは、流体分配器８６を横切る端面において、それらに到着する。

バーナーモジュール１００は、まず第１に、構造化された表面１０３及び構造化されていない表面１０５の間に上述した閉じた流路を形成する。さらに、バーナーモジュール１００の第１区域１０２の外側の構造化された表面１０６によって形成された開いた流路１０８は、カバーモジュール１１０の区域１１４の構造化されていない内側の表面１１５とともに、閉じた流路１０８を形成する。このように、バーナーモジュールの閉じたチャンネルの数は増加する。バーナーモジュールのすべてのチャンネルにおいて良好に流れるために、カバーモジュール１１０は輪郭端部が描かれる平面に垂直に折られた追加の区域を有することが好ましく、図１Ａ〜図１Ｆにおけるバーナーモジュールの第３区域の輪郭端部の製造工程に対応して製造される。このように、流体分配器（不図示）は、バーナーモジュール１００の第２区域１０４の内側の表面１０５と、カバーモジュール１１０の区域１１４の内側の表面１１５と、の間の全スペースに渡って、モジュールの平面に沿って伸びる。

図８は、構造的に１つの差を除いて図７の反応器モジュール８４に対応する、マイクロ流体反応器８４´の別の実施形態を示す。改良モジュール９０´は、曲げ端が図面の平面に対して垂直ではなく平行に走る区域９２´を有する。それゆえ、区域９２´は、断面図に描かれるように、接続されていない要素に見え、改良モジュール９０´の構造化された表面９５´，９６´を有する区域９４´と結合されていない。

図９は、機能的には反応器モジュール８４に対応するが、２つのみのマイクロ流体素子すなわち、改良モジュール９０及びバーナーモジュール１２１を有する、マイクロ流体反応器１２０の別の実施形態を示す。改良モジュール９０は図７の改良モジュール９０にすべての細部まで対応しているため、ここでは説明を省略する。カバーモジュールはこの反応器モジュール１２０において必要ではない。その理由は、バーナーモジュール１２１のデザインが変更されており、バーナーモジュール１２１は、構造化された表面１２３を有する第１区域１２２と、構造化されていない表面１２５を有する第２区域１２４と、を有する。第１区域１２２の構造化された表面１２３及び第２区域１２４の構造化されていない表面１２５の間には、閉じた流路１２８が形成される。この点においては、バーナーモジュール１２１は、図７のバーナーモジュール１００と異ならない。差異は、金属シートの第１区域１２２の構造化された表面１２３のみにエンボス加工されており、反対側の面１２７は構造化されていない点である。結果として、バーナーモジュール１２１の折られた金属シートは、両方の外面に構造化されていない表面１２７，１２９を有する。バーナーモジュール１２１は改良モジュール９０が上方に配置され、改良モジュール９０の下面は同一の反応器モジュールを構成するバーナーモジュール１２１の表面１２７に隣接し、また、改良モジュール９０の上面は隣接する反応器モジュールを構成するバーナーモジュール１２１の表面１２９に隣接する。

開いた流路及び閉じた流路の代表的な深さは、波形形状を有する金属シートのシート厚さの範囲である。これは、一度折られたシートの厚みがシート厚さの２倍に対応するため、側部の全厚、すなわち、側面深さ及びシート厚さの和が、シートの厚さの２倍に対応すべきであることに起因しており、その結果、図７，８に示すように平行なスタックが形成される。一方の側にエンボス加工された構造体において、側面深さは、一般的に、シート厚さの１０％〜６０％の範囲内である。マイクロ流体構造の示された寸法から示される金属シートは非常に薄く、すなわち金属箔で数μｍの厚さである。

ここでは、実施形態として説明しないが、一体的に接続されたシートのいくつかの層が表面が平行に重なり合うように複数折られた金属シートの区域が、本発明の一部に考慮されることは明らかである。

結果として生じる開いた流路及び閉じた流路の幅は、アプリケーションによって異なりうる。開いた流路または閉じた流路の場合において、幅は、１００ｎｍ〜１ｍｍの範囲であって、深さの大きさは、２５μｍから１ｍｍが好ましい。ポケット状の流体分配器の場合において、横寸法は任意に設定でき、要求されるまたは必須の流体の状況に依存する。

１０ ブランク材の板、
１２ 曲線（外面形状）、
２１ 金属シートの第１区域、
２２ 金属シートの第２区域、
２３，２４ 金属シートの第３区域、
２５，２６ 輪郭端部、
２７ 開いたドレイン流路のくぼみ、
２８ 開いた配達流路のくぼみ、
２９，３０，３１，３２ 突出部、
３３，３４ 入口及びドレインの開口部、
４１ 第１区域、
４２ 第２区域、
４４ 折端、
４５ 第１区域の構造化された表面、
４６ 第２区域の構造化されていない表面、
４８ 閉じた流路（閉じたチャンネル）、
５０ 輪郭端部、
５２ 輪郭端部が設けられた区域、
５４ 構造化されていない表面、
５６ 構造化されていない表面を有する区域、
５７ 曲げ端、
５８ 開いた流路、
６０ 輪郭端部、
６２ 輪郭端部を有する区域、
６４ 構造化された表面、
６６ 構造化された表面を有する区域、
６７ 折端、
６８ 開いた流路、
６８´ 開いた第１流路、
６９ 外側の開いた流路、
７１ 構造化された表面を有する第１区域、
７２ 構造化された表面を有する第２区域、
７４ 曲げ端、
７５ 構造化された表面、
７６ 構造化された表面、
７８ 閉じた流路（閉じたチャンネル）、
８０ マイクロ流体反応器、
８１ 第１マイクロ流体素子、
８２ 第２マイクロ流体素子、
８３ 第３マイクロ流体素子、
８４ 反応器モジュール、
８５ 流体分配チューブ、
８６ 流体分配ボックス、
８７ 入口及びドレイン、
９０，９０´ 改良モジュール（マイクロ流体素子）、
９２，９２´ 第１区域、
９３ 輪郭端部、
９４，９４´ 第２区域、
９５，９５´ 構造化された表面、
９６，９６´ 構造化された表面、
９７ 閉じた流路、
１００ バーナーモジュール（マイクロ流体素子）、
１０２ 第１区域、
１０３ 構造化された表面、
１０４ 第２区域、
１０５ 構造化されていない表面、
１０６ 外側の構造化された表面、
１０７ 外側の構造化されていない表面、
１０８ 閉じた流路、
１１０ カバーモジュール（マイクロ流体素子）、
１１２ 端を有する区域、
１１３ 輪郭端部、
１１４ 構造化されていない区域、
１１５ 構造化されていない表面、
１２０ 反応器モジュール、
１２１ バーナーモジュール（マイクロ流体素子）、
１２２ 第１区域、
１２３ 構造化された表面、
１２４ 第２区域、
１２５ 構造化されていない表面、
１２７ 第１区域の構造化されていない表面、
１２８ 閉じた流路（チャンネル）、
１２９ 第２区域の外側の構造化されていない表面。

Claims (22)

1. 金属シートから形成されたマイクロ流体素子であって、
   前記金属シートは、
   構造化されたもしくは構造化されていない表面を有する少なくとも１つの第１区域及び／または第２区域と、
   輪郭端部を有する少なくとも１つの第３区域と、を有し、
   互いに一体的に連結される前記第１区域及び前記第３区域、並びに／または、前記第２区域及び前記第３区域が、表面が平行に重なり合うように折られ、
   前記輪郭端部は開いた流路の第１の壁部を形成し、隣の構造化されたまたは構造化されていない表面は開いた流路の第２の壁部を形成するマイクロ流体素子。
2. 閉じた流路を構成する構造体を有する金属シートによって形成され、
   前記閉じた流路は、前記金属シートの第１区域の構造化された表面と、前記金属シートの隣の構造化されたまたは構造化されていない表面と、から構成され、
   互いに一体的に連結される前記第１区域及び第２区域が表面が平行に重なり合うように、前記金属シートが折られる請求項１に記載のマイクロ流体素子。
3. 前記構造化された表面はエンボス加工された表面である請求項１または２に記載のマイクロ流体素子。
4. 前記構造化された表面は、波形形状である請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ流体素子。
5. 前記閉じた流路は、前記開いた流路に流入する閉じたチャンネルを形成する請求項２〜４のいずれか１項に記載のマイクロ流体素子。
6. 前記開いた流路は、いくつかの前記閉じたチャンネルから流体を寄せ集める収集構造、または、いくつかの前記閉じたチャンネルに前記流体を分配する分配構造である請求項５に記載のマイクロ流体素子。
7. 前記第１区域の前記構造化された表面及び／または前記第２区域の前記構造化されたもしくは構造化されていない表面は、少なくとも前記閉じた流路及び／または前記開いた流路の領域において、コーティングされる請求項２〜６のいずれか１項に記載のマイクロ流体素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロ流体素子が複数積み重ねられ、特定の開口部を除いて、周囲に沿って流体密封して連結されるマイクロ流体反応器。
9. 請求項１に記載の開いた流路を有するマイクロ流体素子の少なくとも１つは、当該マイクロ流体素子の前記開いた流路と、隣接するマイクロ流体素子の前記第１区域または前記第２区域の構造化されたまたは構造化されていない表面と、が閉じた流路を形成するように、前記隣接するマイクロ流体素子と隣り合う請求項８に記載のマイクロ流体反応器。
10. 構造化されたもしくは構造化されていない表面を有する少なくとも１つの第１区域及び／または第２区域と、輪郭端部を有する少なくとも１つの第３区域と、が設けられた金属シートが、前記輪郭端部を有する前記第３区域が構造化されたもしくは構造化されていない表面を有する前記第１区域及び／または前記第２区域に対して表面が平行に重なり合うように、折られ、
    前記輪郭端部は開いた流路の第１の壁部を形成し、（折る工程後の）隣接する構造化されたまたは構造化されていない表面は前記開いた流路の第２の壁部を形成するマイクロ流体素子の製造方法。
11. 構造化された表面を有する少なくとも１つの第１区域と、構造化されたまたは構造化されていない表面を有する少なくとも１つの第２区域と、が設けられた金属シートは、前記第１区域が前記第２区域に対して表面が平行に重なり合うように折られ、
    前記第１区域の前記構造化された表面は、前記第２区域の隣接する前記構造化されたまたは構造化されていない表面とともに、閉じた流路を形成する請求項１０に記載のマイクロ流体素子の製造方法。
12. 前記構造化された表面は、折る工程の前にエンボス加工の工程において形成される請求項１０または１１に記載のマイクロ流体素子の製造方法。
13. 前記構造化された表面は、波形形状にエンボス加工することによって形成される請求項１２に記載のマイクロ流体素子の製造方法。
14. エンボス加工工程及び折る工程は、連続して、進化した複合の金型によって行われる請求項１２または１３に記載のマイクロ流体素子の製造方法。
15. 前記輪郭端部は、前記折る工程の前に打ち抜き工程によって形成される請求項１０に記載のマイクロ流体素子の製造方法。
16. 前記閉じた流路が前記開いた流路に流入する閉じたチャンネルを形成するように、前記金属シートが折られる請求項１１〜１５のいずれか１項に記載のマイクロ流体素子の製造方法。
17. 打ち抜き工程、エンボス加工工程、及び折る工程は、連続して、進化した複数の金型によって行われる請求項１１〜１６のいずれか１項に記載のマイクロ流体素子の製造方法。
18. 前記第１区域の前記構造化された表面及び／または前記第２区域の構造化されたもしくは構造化されていない表面は、少なくとも前記閉じた流路及び／または開いた流路の領域において、コーティングされる請求項１１〜１７のいずれか１項に記載のマイクロ流体素子の製造方法。
19. 前記第１区域の前記構造化された表面及び／または前記第２区域の構造化されたもしくは構造化されていない表面は、シルクスクリーン工程によってコーティングされる請求項１８に記載のマイクロ流体素子の製造方法。
20. 請求項１１〜１９のいずれか１項に記載のマイクロ流体素子の製造方法によって製造されたマイクロ流体素子を複数有するマイクロ流体反応器の製造方法であって、
    折られた後のいくつかの前記マイクロ流体素子は積み重ねられ、特定の開口部を除いて、周囲に沿って流体密封して溶接されるマイクロ流体反応器の製造方法。
21. 複数の前記マイクロ流体素子の少なくとも１つは、請求項１２に記載の開いた流路を形成し、前記開いた流路は、隣に重ね合されたマイクロ流体素子の前記構造化されたまたは構造化されていない表面の層によって閉じられる請求項２０に記載のマイクロ流体反応器の製造方法。
22. 複数の前記マイクロ流体素子はレーザー溶接される請求項２０または２１に記載のマイクロ流体反応器の製造方法。