JP2020515392A - 流れ分配器 - Google Patents

Abstract

流体を、より小さい流体流動からより幅広い流体流動に分配するための分配器（１００）が記載される。分配器（１００）は、流入口（１１０）および複数の流出口（１２０）と、流入口（１１０）と複数の流出口（１２０）の間の流路構造と、を備える。流路構造は、交互分岐流路下部構造（１３２）と、共通流路下部構造（１３４）と、を備え、該下部構造は、分岐流路下部構造（１３２）とは異なる流路を出る流体が、後続の共通流路下部構造（１３４）内で混合するように配置されることにより分岐流路下部構造（１３２）の流体流路は、端部で後続の共通流路下部構造（１３４）に接触しないように配置される。【選択図】図９

Description

本発明は、流体工学の分野に関する。より具体的には、流体の流れを、より小さい方の流体プラグを有する流れから、より幅の広い方の流体プラグを有する流れに分配するための流れ分配器、ならびに対応するミクロ流体デバイス、クロマトグラフィデバイス、およびこのような分配器を備える化学反応器に関する。

狭い接続流路または管から幅広い分離または反応流路、およびその逆に、最小の分散で移行を行う、新規なミクロ流体流れ分配器の設計は、興味あるトピックであり続けている。

おそらく最も伝統的なミクロ流れ分配器は、微細加工されたＣＥＣおよびＬＣカラムに関してRegnierグループによって提案されたミクロ流体分配器であり、一般に分岐（ＢＦ）分配器と称される。それは、各流路を２つの下部流路に連続的に分割し、等しい長さの２^ｎ分配流路（ｎは、連続した分割の数）につながる。一方、使用される分配器は、速度が、（最初のいくつかの分割段階において、かなり幅の広い分配器流路の使用を必要とする）全ての分岐レベルで同じとなるように設計され、数値的研究により、分配器流路が全ての分岐レベルで均等に幅広く維持される場合、はるかに分散が少なくなることが示された。全ての分岐レベルで均等に幅広く維持される流路を有する分岐分配器の例を図１（ａ）に示す。

他のタイプの分配器は、空の分岐部またはミクロ構造（柱）で満たされた分岐部を介して流れを広げる。柱の存在により、開放型の分岐部の場合と比較して、分散損失が少なくとも５０％低減する。柱が半径方向に引き伸ばされる場合、半径方向の分散を促進するために、別に大きく改善される。このような半径方向相互接続（ＲＩ）分配器の例を図１（ｂ）に示す。分配器内の流路が分岐すると再び接触することがない分岐型分配器とは明確に区別される。

図１（ａ）に示すタイプ、すなわち一定の流路幅を有するタイプのＢＦ分配器を検討する。このＢＦ分配器は、分配作業を実行するめたに最小の容積を必要とし、改変できないタイプの分配器である。通常、分散がシステムの容積に大きく左右されるとすれば、ＢＦ分配器には重要な利点がある。ＢＦ分配器の別の明確な利点は、全ての流路が同じ軌道長を有することであるのに対し、ＲＩ分配器は、明らかに異なる流路長を有する（中央経由は、側部経由より短い）。

しかしながら、分岐型分配器の重大な欠点は、局所的な目詰まりに非常に敏感なところである。分配器内の流路セグメントのうちの１つが目詰まりすると、そこから分岐する後続全ての流路が、目詰まりした「母」セグメントからの液体のみを受け取るために影響を受ける。これは、半径方向相互接続型分配器が有利であると見なされるところである。なぜなら、これら半径方向の混合を使用できるからである。また、全てのレベルで異なる液体の流れの間に完全な接触があり、このような局所的な目詰まりを解消するということがある。したがって、異なる流れ分配器の目詰まり特性を調べる最近の研究には、計算流体力学（ＣＦＤ）が使用されている。ＢＦ分配器は、最小容積のため、目詰まりが存在しなければ、ＲＩ分配器よりも優れた性能を発揮すると結論付けられた。ところが、ＲＩ分配器がＢＦ分配器よりも性能が優れていると予想されるのは、流路に実質的な目詰まり（５０％超）が発生した場合のみである。しかしながら、その研究は、分散が各セグメントにおける分散によって支配される、非常に幅広い流路を備えたシステムを考慮することによって行われた。

本発明の実施形態の目的は、流体の流れを、より小さい方の流体プラグからより幅の広い方の流体プラグに分配し、良好な分散挙動および良好な耐目詰まり性の両方が得られる分配器を提供することである。

上記目的は、本発明の実施形態によるデバイスおよびシステムによって達成される。

本発明は、流体流動を、より小さい方の流体プラグからより幅の広い方の流体プラグに分配するための分配器であって、流入口および複数の流出口と、流入口と複数の流出口の間の流路構造と、を備え、流路構造が、交互分岐流路下部構造と、共通流路下部構造と、を備え、前記下部構造は、分岐流路下部構造から異なる流路を出る流体が、後続の共通流路下部構造で混合するように配置されることにより、分岐流路下部構造の流路は、端部で、後続の共通流路下部構造に接触しないように配置される、分配器に関する。

分配器は、ミクロ流体分配器であってもよい。

本発明の実施形態の利点は、分配器での分散が、分岐分配器と同様に幅依存性があり、分岐分配器と比較して目詰まりに起因する悪影響の傾向がはるかに少ないことである。したがって、本発明の実施形態による分配器は、分岐分配器によって提供される有利な分散挙動と、半径方向に相互接続された分配器で得られる詰まりから回復するための回復挙動とを組み合わせている。

流れ分配器は、混合モードまたはＭＭ分配器と称される。本発明の実施形態の利点は、目詰まりがない場合、混合モード分配器が、分岐分配器より少しだけ多く分散させるが、半径方向相互接続分配器よりもはるかに分散が少ないことである。本発明の実施形態の利点は、混合モード分配器が、分岐分配器と同様な幅依存性があるということである。本発明の実施形態の利点は、分配器が、幅広い床全域にわたって流れの分配を、例えば、ミリメートルまたはセンチメートルのオーダーで可能にすることである。本発明の実施形態の利点は、幅広い床全域にわたって流量とは無関係に適切に分配可能であることである。

混合モード分配器は、連続して分岐する流路からなり、各分岐後に異なる平行流路が再び直接、流体接触する接触領域が設けられている。

本発明の実施形態による流動分配器は、目詰まりの影響がはるかに少ないので、分岐分配器に対してさらに有利な挙動を示す。

本発明の実施形態の利点は、混合モード分配器が、局所的な目詰まりへの対処能力、および目詰まりがない場合の良好な分散挙動の両方を提供することである。

共通流路下部構造は、長軸が、ネット前方流れに略垂直で、端部が、長軸の終点に配置されてもよい。代わりに、長軸とネット前方流れとの角度は、略垂直でなくてもよいが、異なる流路のネット長さが等しくなるように、角度が変更されているのが好ましい。

接触領域は、流れ分配器の要素、例えば、分配器を通過する全ての平行なフロースルー経路が同じ長さとなるように設計された平坦な矩形流れ分配器の要素で満たされていてもよい。

少なくとも１つの共通流路下部構造は、相互に離間して配置される複数の柱要素で満たされる共通流路を備えてもよい。

本発明の実施形態の利点は、柱要素を備える共通流路下部構造が、流れが再分配される可能性が高い接触領域をもたらし、目詰まりからの回復の良好な影響をもたらすことである。

少なくとも１つの共通流路内の複数の柱要素、すなわち接触領域は、偶数列に整列する柱要素であってもよく、ｎ列ごとの異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置が、先の分岐する流出口と一致する一方、ｎ−１列ごとの異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置が、次の列の柱の中心線と一致してもよい。列の数は、ｎ＝２、４、６、・・・によって定義してもよい。

各共通流路下部構造は、相互に離間して配置される複数の柱要素で満たされてもよい。

各共通流路において、柱要素は、偶数ｎ列に整列してもよく、ｎ列毎の異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置は、先に分岐する流出口と一致する一方、ｎ−１列ごとの異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置は、次の列の柱の中心線と一致してもよい。

入口付近の共通流路下部構造内の柱要素の列の数は、出口付近の共通流路下部構造内の柱要素の列の数より多くてもよい。

柱構造は、矩形、ひし形、または楕円形であってもよい。

共通流路下部構造の共通流路内には、柱構造が存在しなくてもよい。

流体出力の数は、２^ｍであってもよく、ｍは自然数である。

また本発明は、上述のように、分配器を備えるミクロ流体構造に関する。

ミクロ流体構造は、クロマトグラフィシステムの分離構造であってもよい。

さらに本発明は、上に記載されているようなミクロ流体構造を備えるクロマトグラフィシステムに関する。

また本発明は、上述のような流動分配器を備える化学反応器、または上述のようなミクロ流体構造に関する。

本発明の特定のかつ好ましい態様は、添付の独立項および従属項に記載されている。従属項の機能は、必要に応じて独立項の機能、および他の従属項の機能と組み合わせることができ、単に特許請求の範囲に明示的に記載されるだけではない。

本発明のこれらのかつ他の態様は、以下で記載される実施形態を参照して説明することにより明らかとなる。

従来技術から既知である、分岐（ＢＦ）分配器形状（ａ）、および半径方向相互接続（ＲＩ）分配器形状（ｂ）、ならびに本発明の実施形態による混合モード分配器を例示する。（ｅ）では、分配器の入口、グリッドサイズ、および形状の拡大図を示す。破線のボックスは、種注入ボックスを形成する１００個のグリッドセルを含む。 （ａ）分岐（ＢＦ）、（ｂ）半径方向相互接続（ＲＩ）、および（ｃ）混合モード_Ｉ（ＭＭ_Ｉ）、および（ｄ）混合モード_ＩＩ（ＭＭ_ＩＩ）分配器の目詰まりがない場合の、溶出直前の空間種分配を例示し、後者の２つは本発明の実施形態による。対称線が各分配器の中心を通るため、各分配器の半分のみが示される。 図２に示される目詰まりがない場合に、モニタライン（図１（ａ）〜（ｄ）の線および矢印参照）で記録された種バンドの時間応答を例示する。応答は、モニタラインの上の種の質量分率の線積分として定義される。 （ａ）分岐（ＢＦ）、（ｂ）半径方向相互接続（ＲＩ）、（ｃ）混合モード_Ｉ（ＭＭ_Ｉ）、（ｄ）混合モード_ＩＩ（ＭＭ_ＩＩ）分配器のための溶出直前の種バンド上の矢印（図１（ａ）〜（ｄ）参照）で示されるボックス内の７０％目詰まりの影響を示し、後者の２つは本発明の実施形態に係るものである。対称線が各分配器の中心を通るため、各分配器の半分のみが示されている。破線の楕円は、目詰まりした流路に入った種を示し、曲線の矢印は、ＢＦ分配器内の目詰まりしていない区域から目詰まりした区域への種の漏れを示す。 図４に示される場合のモニタラインで記録された種バンドの時間応答を示す（７０％目詰まり）。応答は、モニタラインの上の種の質量分率の線積分として定義される。矢印は、本発明の実施形態によるＭＭ_Ｉ−分配器に表れる目詰まりした流路に入った後、分配器を離れる種によってもたらされる余分なピークを示す。 目詰まりがない場合のＲＩ−（四角）、ＭＭ_Ｉ−（三角）、およびＢＦ−（ひし形）分配器（幅＝５００μｍ、１６出口）についての適用流量の関数として、モニタラインで記録された種バンドの容積変動σ_ｖ ^２を示し、ＭＭ_Ｉ分配器は本発明の実施形態に係るものである。 目詰まりがない場合の最終の分配器の幅（または出口の数）の関数として、モニタラインで記録された種バンドの容積変動σ_ｖ ^２（データ点）を、べき乗測適合（線）と合わせて示す（四角：ＲＩ、三角：ＭＭ_Ｉ、およびひし形：ＢＦ）。適用流量は、後続の床において同じ線速度（０．２５ｍｍ／秒）を保つために、各分配器の幅ごとに調整されている。ＭＭ_Ｉ分配器は、本発明の実施形態に係るものである。 図１に示される赤いボックス内の目詰まりの程度の関数として、５００μｍ（１６個の出口）のＲＩ−（四角）、ＭＭ_Ｉ−（三角）、およびＢＦ分配器（ひし形）について、モニタラインで記録された種バンドの容積変動σ_ｖ ^２を示す。流量＝１．３２μＬ／分（後続の床において０．２５ｍｍ／秒の線速度に対応）。ＭＭ_Ｉ分配器は、本発明の実施形態に係るものである。 本発明の実施形態に係る分配器を示す。

図面は概略的であり、非限定的である。図面において、いくつかの要素のサイズは、誇張され、説明目的のためであり、縮尺通りには描かれていない。

特許請求の範囲における任意の参照符号は、範囲を限定するものとして解釈されてはならない。

異なる図面において、同じ参照符号は、同じまたは類似の要素を指す。

本発明は、特定の実施形態について、特定の図面を参照して説明するが、本発明はそれに限定されず、特許請求の範囲のみによって限定される。記載される図面は、概略的であり、非限定的である。図面において、いくつかの要素のサイズは、誇張されてもよく、説明のためであり、縮尺通りには描かれていない。寸法および相対寸法は、本発明の実施に対する実際の縮尺に合致していない。

さらに、明細書および特許請求の範囲における第１、第２などの用語は、同様の要素を区別するために使用され、必ずしも時間的、空間的、ランキング、またはその他の様式で順序を説明するためではない。そのように使用される用語は適切な状況下で互換性があり、本明細書に記載される本発明の実施形態は、本明細書で記載または例示される以外の順序で操作することが可能である。

さらに、本明細書および特許請求の範囲における上部、下部などの用語は、説明で使用され、必ずしも相対的な位置を説明するためではない。そのように使用される用語は適切な状況下で互換性があり、本明細書に記載される本発明の実施形態は、本明細書で記載または例示される以外の方向で操作することが可能である。

特許請求の範囲において使用される「備える」という用語は、その後に列挙される手段に制限されていると解釈されるべきではなく、他の要素または工程を排除しないことに留意すべきである。したがって、記載された、参照される機能、整数、工程、構成要素の存在を明記するものとして解釈されるべきであり、１つ以上の他の機能、整数、工程、構成要素、またはそれらの群の存在または追加を妨げるものではない。したがって、「手段ＡおよびＢを備えるデバイス」という表現の範囲は、構成要素ＡおよびＢのみからなるデバイスに限定されるべきではない。本発明に関して、デバイスの唯一の関連構成要素は、ＡおよびＢであることを意味する。

本明細書全体を通して「一実施形態（one embodiment）」または「一実施形態（an embodiment）」への言及は、実施形態に関連して説明される特定の機能、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体を通して様々な場所において、「一実施形態では（in one embodiment）」または「一実施形態では（in an embodiment）」は、必ずしも全て同じ実施形態を言及していないかもしれないし、しているかもしれない。さらに、特定の機能、構造、または特性は、この開示から当業者に明らかなように、１以上の実施形態において、任意の適切な方法で組み合わせてもよい。

同様に、本発明の例示的な実施形態の説明において、本発明の様々な機能は、開示を合理化し、様々な発明の態様のうちの１以上の理解を支援する目的で、単一の実施形態、図面、またはそれらの説明で一緒にグループ化されることもある。しかしながら、この開示方法は、特許請求される発明には、各請求項で明示的に列挙されているものよりも多くの特徴を必要としていることを意図とするものとして解釈されるべきではない。むしろ、添付の特許請求の範囲が反映するように、本発明の態様は、単一の前述の開示された実施形態の全ての特徴よりも少ないことにある。したがって、「発明を実施するための形態」に続く「特許請求の範囲」は、この「発明を実施するための形態」に明示的に組み込まれ、各請求項は、本発明の別個の実施形態として独立している。

さらに、本明細書に記載されるいくつかの実施形態には、他の実施形態に含まれる他の特徴ではない、いくつかの特徴が含まれるが、異なる実施形態の特徴の組み合わせは、当業者によって理解されるように、本発明の範囲内にあること、および異なる実施形態を形成することを意味する。例えば、以下の特許請求の範囲において、特許請求される実施形態のうちのいずれかは、任意に組み合わせて使用することができる。

本明細書で提供される説明には、多数の具体的な詳細が記載されている。しかしながら、本発明の実施形態は、これらの具体的な詳細なしで実施してもよい。他の例では、周知の方法、構造、技術は、この説明の理解を不明瞭にしないために、詳細には示されていない。

本発明の実施形態において、「分岐分配器」に言及する場合、分配器内の流路が、分岐した後、再び相互に接触することがない分配器への言及である。本発明の実施形態において、「分岐」に言及する場合、いくつかの下部流路における流路の分割への言及である。

本発明の実施形態において、「半径方向相互接続分配器」に言及する場合、各分割後、全ての流路は、最後に共通流路になることで再度相互に接触する。

第１の態様では、本発明は、流体流動を、より小さい方の流体プラグからより幅が広い方の流体プラグに分配するための分配器に関する。このような分配器は、例えばクロマトグラフィ用途などの任意の好適な用途に使用してもよいが、実施形態は、これらに限定されるものではない。分配器は、流入口、および複数の流出口、ならびに流入口と複数の流出口の間の流路構造を備える。流路構造は、交互分岐流路下部構造および共通流路下部構造を備え、下部構造は、分岐流路下部構造から異なる流路を出る流体が、後続の共通流路下部構造で混合するように配置される。分岐流路下部構造の流体流路はさらに、その端部で、後続の共通流路下部構造に接触しないように配置される。言い換えれば、その流路の出口でその流路から流体が流動するような方法で、共通流路下部構造内の分岐流路末端の流体流路は、共通流路において２つの方向に流動し得る。共通流路下部構造は、その長軸が、構造のネットの前方への流れに垂直であり、共通流路下部構造の端部が、長軸に沿った共通流路下部構造の終点に対応するように配置されると見なされてもよい。

本発明の実施形態に係る分配器は、混合モード分配器と称される。少なくとも１つの共通流路下部構造は、相互に離間して配置される複数の柱要素で満たされる共通流路を備える。このような柱要素は、ミクロ流体流路に使用する、例えば、矩形状柱要素だけでなく、円形状柱要素、六角形状柱要素、ひし形状柱要素、楕円形状柱要素などの任意の好適な柱要素であってもよい。いくつかの実施形態では、全ての共通流路下部構造は、柱要素で満たされてもよい。柱要素の分配および使用される柱要素の種類は、全ての共通流路下部構造と同じであってもよいし、異なっていてもよい。分配器は、分配器に通常使用される材料で作製してもよい。さらに、使用される流路および柱要素の寸法は、分配器で公知のものであってもよい。

柱要素が共通流路内で使用される特定の実施形態では、少なくとも１つの共通流路内の複数の柱要素は、偶数列に整列される柱要素であってもよく、ｎ列毎の異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置が、先に分岐する流路の出口と一致する一方、ｎ−１列毎の異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置が、次の列の柱の中心線と一致してもよい。ｎ列毎の異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置は、先に分岐する流路の出口と一致する一方、ｎ−１列毎の異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置は、次の列の柱の中心線と一致する。

いくつかの実施形態では、入口付近の共通流路下部構造内の柱要素の列の数は、出口付近の共通流路下部構造内の柱要素の列の数よりも多い。これに限定されない本発明の実施形態として、例示的な分配器１００を図９に示す。分配器１００は、流入口１１０、複数の流出口１２０、流入口１１０と複数の流出口１２０の間の流路構造１３０を備える。本発明の実施形態による流路構造１３０は、交互分岐流路下部構造１３２と、共通流路下部構造１３４と、を備える。下部構造１３２、１３４は、分岐流路下部構造１３２とは異なる流路を出る流体が、後続の共通流路下部構造１３４内で混合するように配置されることにより、分岐流路下部構造１３２の流体流路は、端部で後続の共通流路下部構造１３４に接触しないように配置される。

また本発明の一態様は、上述のように、分配器を備えるミクロ流体構造に関する。ミクロ流体構造は、例えば、分離流路部など、流路部をさらに備える。また、いくつかの実施形態では、第１の分配器と同様または異なる第２の分配器は、流体プラグの幅を再度低減させるためにも使用される。また、第１の態様において記載される分配器の特徴および利点は、全体として、ミクロ流体構造にも適用可能である。この態様によるミクロ流体構造の一例は、クロマトグラフィシステムの分離構造である。

また、本発明のさらなる態様は、上述のようなミクロ流体構造を備えるクロマトグラフィシステムに関する。またより一般的には、本発明は、このようなミクロ流体構造を備える化学反応器に関する。

例として、本発明の実施形態はこれに限定されないが、分散特性を分岐分配器と半径方向相互接続分配器とで比較することにより、本発明の実施形態の特定例の混合モード分配器の利点の定量的評価が考察される。評価は、計算流体力学（ＣＦＤ）を使用して数量的に行った。特に明記しない限り、全ての分配器は、同じ数の入口および出口ポートを有し、同じ流量、すなわち微細加工されたＬＣカラムの一般的な流量となる。妥当な時間で多数の条件と形状を調査できるようにするために、全てのシミュレーションを２Ｄで行い、実際に存在する上下壁から予想することができる追加の分散物を無視した。この影響を含めることは、余分な変数を追加し、（選択された流路のアスペクト比に応じて）およそ１０〜１００倍の計算時間がかかる。さらに、文献では、特にアスペクト比が高い流路である場合、すなわち幅よりも著しく深い流路である場合、（流路の深さを一定に保ちながら）最小分配器容積を目指した設計に起因する条件であり、追加の３Ｄ分散は独立した余分な用語として見なされることが実証されている。上下壁による余分な分散は、分配器内での滞留時間に比例すると予想され、ＭＭを介してＢＦからＲＩ分配器に成長するため、この影響を追加すると現在観察されている相違を強化するだけであると推測される。

図１（ａ）〜（ｄ）は、考慮された異なる分配器形状、すなわち、ＢＦ、ＭＭ_Ｉ、ＭＭ_ＩＩ、およびＲＩ分配器をそれぞれ示す。各分配器において矢印で示される線は、分配器を出る種プラグの検出に使用される種モニタラインを示す。また各分配器には、最外部流路内、４出口レベルで多孔質領域を設けた（図１（ａ）〜（ｄ）中、矢印で示されるボックス参照）。この領域には、調整可能な透過性があり、異なる図面を作製することなく、局所流動抵抗を容易に変更して、分配器の程度の異なる目詰まりをシミュレーションすることができる。対称であるので、形状の半分のみをシミュレーションしている（例えば、さらに図２参照）。

図１（ｅ）は、分配器の各入口、ならびに用いられた計算グリッド（メッシュ）サイズおよび形状の例の拡大図を示す。破線のボックスは、注入ボックスの一部であるセルの範囲を定める（合計１００セル）。シミュレーションの開始条件として、注入ボックスのセルに１％の種がパッチされる。各分配器（および形状全体にわたるＲＩ分配器）の出口にある平坦な矩形分配器要素（ここでは、半径方向に細長いひし形の代替として使用される）は、３０μｍ幅、２．５μｍ厚さであった。ＢＦおよびＭＭ分配器について、（流体流動の方向に従う場合）先の分割工程における平坦な矩形分配器要素の長さは、分割工程後の要素の長さの２倍に、１つの分配器フロースルー流路の幅を加えたものと等しくなった。これらの流路は、全ての分配器の形状全体にわたって２．５μｍ幅であった。分配器は全て、分配器の出口で使用されるものと同じ平坦な矩形要素で満たされた５ｃｍの長さの床に入れられた（図１（ａ）〜（ｄ）中、矢印で示される線の後の柱の列参照）。

シミュレーションにおいて使用される流体は水であった。流量は、分配器に続く反応流路で、約０．２５ｍｍ／秒の線型速度が得られるように選択された（マイクロチップクロマトグラフィに実質的に関連する線形速度）。シミュレーション中に追跡される種も水であった。水中の混合物には、１．００３ｃＰの粘度および１０^−９ｍ^２／秒の自己拡散性が与えられた。

結果を検討する前に、まず、シミュレーションに使用される数値的な方法が検討される。全てのシミュレーションは、Ａｎｓｙｓ Ｂｅｎｅｌｕｘ、Ｗａｖｒｅ、Ｂｅｌｇｉｕｍから購入される、Ａｎｓｙｓ、Ｉｎｃ．からのＡｎｓｙｓ（登録商標）Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈバージョン１６．２で実行された。このソフトウェアプラットフォーム内で、全ての流動ドメインは、Ａｎｓｙｓ（登録商標）Ｄｅｓｉｇｎ Ｍｏｄｅｌｅｒで描画され、Ａｎｓｙｓ（登録商標）Ｍｅｓｈｉｎｇでメッシュ化された。全てのシミュレーションは、Ａｎｓｙｓ（登録商標）Ｆｌｕｅｎｔで実行された。

メッシュサイズは、最小流動ドメインが１０メッシュセルを含むように選択された。メッシュは、四辺のセルであった。メッシュの独立性を確認するために、セル数が４倍で、元の半分のサイズのセルを含有するメッシュが使用された。５００μｍ幅のＢＦ分配器について、このより細かいメッシュで記録されたプレートの高さの相違は、元のメッシュよりも３．５％小さいだけであった。したがって、少なくとも本研究については、元のメッシュで十分な精度が得られることが結論付けられた。

使用する解法は以下の条件を満たす。まず、分離された圧力系定常状態解法を使用し、ナビエ・ストークス方程式を解いて速度場を算出した。空間離散化では、最小二乗セルベース法を、濃度勾配、圧力−速度カップリングのカップリングスキーム、圧力の二次補間スキーム、および運動量の二次風上スキームを計算するために使用した。境界条件は、側壁と平坦な矩形柱の側面に設定し、入口面は固定質量流量に設定し、出口面は流出するように設定した。多孔質領域は内部に設定した。

続いて、注入ボックスの１００メッシュセルは、１％の種でパッチされた。そして、一次の暗黙的な時間離散化および空間離散化の二次風上スキームを伴う過渡解法は、流動ドメインを通って移動する種バンドの一過性の濃度場をもたらす対流拡散等式を解くために使用された。サイズ１．１０^−６秒の１００００ステップの固定時間ステップ方式が使用された。

全てのシミュレーションは、Ｉｎｔｅｌ Ｘｅｏｎ ｘ３４６０プロセッサ（クロック速度２．８ＧＨｚ、４コア）、および１６Ｇｂ、１３３３ＭＨｚ ＲＡＭメモリを各々備えたＷｉｎｄｏｗｓサーバエディション２００８ Ｒ２（６４−ｂｉｔ）で動作する、Ｄｅｌｌ Ｐｏｗｅｒ Ｅｄｇｅ Ｒ２１０ Ｒａｃｋ Ｓｅｒｖｅｒｓで実行された。上記の形状内での定常状態速度場のシミュレーションには約１時間を要し、一過性の種濃度場シミュレーションには約２４時間を要した。

各シミュレーションについて、「モニタ」線（図１（ａ）〜（ｄ）の点線参照）を通過する種の質量分率は、時間の関数として記録した。得られたピークから、時間ベース変動（σ_ｔ ^２）および平均溶出時間（ｔ：ここでは単にｔと記載しているが、実際にはアッパーライン付きのｔ（ティーバー）である。）が、ピークの数学的モーメントを使用して計算した。

式中、ｃ（ｔ）は、時間の関数としての種の質量分率である。これらの値から、容積変動（σ_ｖ ^２）は、

を用いて計算される。ピーク幅の尺度として、σ_ｔ ^２の代わりに（Ｆの情報を含有する）σ_ｖ ^２を使用することにより、流量が観測された（時間ベースの）ピーク幅に与える影響を排除する。

初期比較
シミュレーションの最初のセットでは、検討された４種類の分配器のうちのいずれが、目詰まりのない状態で最高の性能を発揮するのかを判断するのが目標であった。図２は、検討された４種類の分配器のいずれかに於ける溶出の瞬間の種バンドのフレーム化された画像を示す。暗い部分は、最大濃度に対応する点線で囲まれた暗い部分を除いて、一般的に最小濃度を示す。より明るい部分は中間濃度に対応する。図３は、モニタラインに記録された対応する時間応答（ピーク）を示す。

表１は、ピークの各々のｔ（ここでは単にｔと記載しているが、実際にはアッパーライン付きのｔ（ティーバー）である。）、およびσ_ｖ ^２、ならびに入口とモニタラインの間の圧力損失の数値を示す。そのフロースルー流路の低容積および均一な長さから予想されるように、ＢＦ分配器は、最も狭いピーク（σ_ｖ ^２＝０．０１３ｎＬ^２）につながり、最速で溶出する。一方、ＲＩ分配器を出るピークは、最も広く、平均溶出時間が最も長く、強いピークテーリングを呈す。これは、明らかにそのより大きな容積に対応し、ＲＩピークのσ_ｖ ^２によっても反映され、０．１６５ｎＬ^２で、ＲＩピークは、ＢＦピークよりも１０倍以上高い。２つの混合モード分配器は、中間の平均溶出時間と幅でピークをもたらすが、ＲＩ分配器のテーリングはない。容積の違いに応じて、ＭＭ_Ｉ分配器は、ＭＭ_ＩＩ分配器よりも、滞留時間が長く、分散が多い（ＭＭ_Ｉについては、σ_ｖ ^２＝０．０２６ｎＬ^２、一方、ＭＭ_ＩＩについてはσ_ｖ ^２＝０．０１７ｎＬ^２）。図２から分かる別の重要な点は、ＢＦ型分配器ならびにＭＭ型分配器が、（全ての可能なフロースルー経路が、同じ長さを有するという事実を反映して）半径方向に完全に均一である種バンドを産生する一方、ＲＩ分配器が、明らかにゆがんだバンドを産生するということである。後者は、明らかに中央と外側の領域の間の流動経路長さの相違によって生じる。明らかに、この相違は、ＲＩ分配器の設計によって可能となった強力な半径方向混合によって克服することはできない。

分配器の圧力損失も表１に示される。ここで、ＲＩ分配器は、流動が、非常に急速に多くの流路に分割されるため、より有利であり、その結果、（明らかに入口で最も高い）局所速度が急速に低下する。これは、ＢＦ分配器には当てはまらず、そこでは、最大流量（第１の分岐後Ｆ／２、第２の分岐後Ｆ／４）は、最長距離（＝フロースルー流路の長さ）にわたって維持される。結果として、ＢＦ分配器には、より大きな圧力降下が必要である。２種のＭＭ型分配器では、接触領域の存在により余分に圧力損失するため、さらに大きな圧力損失がもたらされる。

ＭＭ分配器の余分な圧力損失が問題になる場合、フロースルー流路には、入口付近で最も広く、出口に向かって狭くなる設計が利用できる。流路幅の最適な変更は、余分な分散と圧力損失の妥協に依存する。

シミュレーションの次のセットは、主に２種の新規な分配器（ＭＭ_ＩまたはＭＭ_ＩＩ）のうちのどちらが、目詰まりの存在下で最高に機能するかを判断することであった。これらの測定のために、図１（ａ）〜（ｄ）に示される赤いボックス内の多孔質領域は、４出口レベルで最外部流路（図１）の７０％目詰まり（＝流路断面積の７０％が２．５μｍの長さにわたって閉鎖されている）を反映するように調整される。

図４および５は、分配器からの溶出の瞬間のバンド、および対応するピークそれぞれを示し、表２は、各ピークのｔ（ここでは単にｔと記載しているが、実際にはアッパーライン付きのｔ（ティーバー）である。）およびσ_ｖ ^２の数値を示す。図４では、暗い部分は一般に、最大濃度に対応する点線で囲まれた暗い部分を除いて最小濃度を示す。より明るい部分は中間濃度に対応する。注目されるように、ＢＦ分配器からのピークは著しく広くなり（σ_ｖ ^２＝０．４５ｎＬ^２）、図２（ａ）〜図３（ａ）における目詰まりがない場合と比較して、極端なテーリングおよび非対称性を示す。ＢＦ分配器には、目詰まりを回避する流動経路がなく、エラーを修正することができないからである。注入された種の一部は、明らかに混雑領域の近傍に詰まっている（追加した破線の楕円参照）。これはまた、平均溶出時間が、目詰まりがない場合よりも長くなる理由の説明でもある。

一方、目詰まりは、ＲＩ分配器のピーク形状にほとんど影響を及ぼさない。ピーク幅（σ_ｖ ^２＝０．２７１ｎＬ^２）、平均溶出時間、および対称性は全て、目詰まりなしで得られる結果とほとんど同じである。これは、局所的な目詰まりに対処するＲＩ型分配器の優れた能力を裏付ける。それは、その強力な半径方向混合、および流体が目詰まり区域を回避するために取り得る多くの異なる流路によるものである。

繰り返すが、ＭＭ分配器は中間の挙動を示す。しかしながら、ＭＭ_ＩＩ分配器は、ＢＦ分配器の好ましくない挙動に近い機能（σ_ｖ ^２が、０．５３２ｎＬ^２まで上昇）を示すものの、より良好な機能（σ_ｖ ^２＝０．２２３ｎＬ^２）を示す。ここで繰り返すが、その説明は分配器の形状に見出せる。ＭＭ_ＩＩ分配器内の接触領域は、最小限に抑えられ、単一のフロースルー流路に縮小され、流体にエラーを補う限られた可能性のみを与える。ＭＭ_Ｉ分配器において、このような流路層のうちの３つが各接触領域にあり、分配器の幅全域にわたって流体を再分配する十分な時間がある。さらなる理解のために、図４におけるＭＭ_Ｉ分配器およびＭＭ_ＩＩ分配器を出るバンドを比較するのがよい。ＭＭ_Ｉ分配器内の分配器を出るバンドは、（分配器の最も右の部分に供給する分岐を遮断する障害を克服するように分配器の能力を反映する）流路の幅全体を実質的に満たし、ＭＭ_ＩＩ分配器内のバンドは、分配器を出るとき、分配器の最も右の部分に到達していないことは明らかである。

ＭＭ_ＩＩ分配器は、（目詰まりのない）理想的な状況下で、ＢＦ分配器よりも性能が優れ、目詰まりの可能性がある場合であっても、ＭＭ_Ｉ分配器よりも性能が優れているので、全てのさらなる計算からこの設計を省略することが決定された。

検討中の３種の分配器（ＢＦ、ＲＩ、およびＭＭ_Ｉ）について、分配器を出るバンドの容積変動σ_ｖ ^２への流量の影響が調査された。これらのシミュレーションが、最も簡単で直接的な洞察を得るために、目詰まりがない場合で実行された。５つの異なる流量、すなわち、１．３２μＬ／分（分配器に続く反応流路におけるクロマトグラフィのための０．２５ｍｍ／秒の最適な線形速度に対応）、１．９８μＬ／分、２．６４μＬ／分、３．９６μＬ／分、および５．２８μＬ／分が各分配器に適用された。これらの計算結果は図６に示され、（ＢＦとＲＩの間のＭＭであるが、ＲＩよりもＢＦにずっと近い）図２、図３および表１の結果を裏付けている。

σ_ｖ ^２値が、３種全ての分配器に適用される流量にほとんど依存しないのも印象的である。これを説明すべく、単一のミクロ流体流路内の分散の分析的表現を検討した。明らかに、後者は、分配器内のフロースルー流路の非常に粗雑な表現でしかないが、分析的表現の利用可能性は、少なくとも分散力学の一部を理解することができる。十分に展開されていない直管を通るバンドの容積変化、および層流動条件を支配する分散が、

式中、αは、管の形状に依存する定数（２つの平行板の間に形成される流路ではα＝１／１０５）、β＝１５πＤ_ｍ／Ｆである。

式（１）を使用して、Ｆの関数として、ｄ_ｔｕｂｅ＝２．５μｍ、Ｄ_ｍ＝１．１０^−９ｍ^２／秒を用いて、σ_ｖ ^２を計算し、入口からいずれかの出口点までの流路の長さであるＬ（ＲＩ＝２６．５μｍ、ＢＦ＝２５．１２５μｍ、ＭＭ_Ｉ＝５６．１２５μｍ）は、フロースルー流路内の分散がまだ十分には行われていないことを示す（すなわち、σ_ｖ ^２／Ｌは定数ではない）。言い換えれば、流量が非常に多いので式（１）における角括弧間の係数は、Ｆにほぼ反比例するように変化し、角括弧の前の線形Ｆ依存性をほぼ補償する。次いで、図６におけるほぼ一定のσ_ｖ ^２値を説明する。Ｌが有意に大きくなる場合にのみ、またはＦが有意に小さくなる場合にのみ、角括弧間の係数は均一に収束する。このようにして、第１の要素の線形Ｆ依存性は、唯一の流量効果のままであり、σ_ｖ ^２とＦとの線形関係が達成される。

流量がσ_ｖ ^２に有意な影響を与えないことが明らかであるので、実質的に関連する線形速度に対応するため、その後の全てのシミュレーションは１．３２μＬ／分の流量で行った。

（目詰まりがない場合）最終的な分配器の幅が先のセクションの結果にどのように影響するのかを評価するため、再目詰まりのない状態で、様々な流路幅についてσ_ｖ ^２を測定した。流路幅は、分配器への層の追加または除去と、出口の数の増加または減少とによって変化する。言い換えれば、フロースルー流路、床内の平坦な矩形柱、および分配器内の柱の最終の列の寸法は同じに保たれた。なお、ＲＩ分配器には任意の数の出口があり、ＭＭ_ＩおよびＢＦ分配器は２^ｎ（ｎは整数）の出口がある。さらに、出口が８未満では、ＭＭ_Ｉ分配器とＢＦ分配器の間の違いはない。したがって、ＭＭ_ＩおよびＢＦ分配器については、２５０μｍ（８出口）、５００μｍ（１６出口）および１０００μｍ（３２出口）幅からなる３つの場合の最終流路が研究される一方、ＲＩ分配器については、同じ３つの場合、ならびに、３７５μｍ（１２出口）および７５０μｍ（２４出口）からなる追加の２つの場合が研究された。各分配器が、その幅と等しい幅の反応または分離床に供給すると推定されるので、流量は最終の分配器の幅に比例して定められ、この床における線形速度を考慮した全ての流路幅に対して同じに保ちたいと考えた。これらのシミュレーションの結果（データ点）ならびに対応する適合べき乗測曲線を図７に示す。

目詰まりがないと考えると、ＢＦ分配器は各場合で最小のσ_ｖ ^２、ＲＩ分配器は最大のσ_ｖ ^２となる。ＭＭ_ＩはＢＦ分配器よりも大きく変動するが、その変動量はＲＩ分配器よりもはるかに小さい。後者は、ＲＩ分配器によるσ_ｖ ^２値が、ＭＭ_ＩおよびＢＦ分配器よりも、分配器の幅に比例して大きな増加を示すので、分配器の最大幅で益々明瞭となる。これは、各分配器型のデータ点から得られる式によって定量化される。図７でのフィッティングから明らかなように、ＲＩ分配器は、ＭＭ_ＩおよびＢＦ分配器の力（それぞれ２．３および２．１）と比較して、著しく高い力（３．８）で、分配器の幅に応じて成長する。この挙動は、およそ以下のように理解される。幅を広げるためには、ＲＩ分配器の幅を広げるだけでなく、（その全体的な三角形状を考えると）長さも長くする。したがって、その容積は幅^２に従って増加する。さらに、最初の近似のフローシステムの分散が、その容積の２乗に比例することを考慮すると、観測された幅^４の増加が分かる。ＭＭ_ＩおよびＢＦ分配器の場合、実際に、観測されるべき乗則依存性によって近似されるので、本質的に容積〜幅、従ってσ_ｖ ^２〜幅^２を与えるように、容積は本質的に長さではなく幅で成長する。

ＭＭ_ＩおよびＢＦ分配器が、２に近いべき乗（σ_ｖ ^２〜幅^２）で増加するという変化があるという事実は、床自体における分散も、一定の線形速度の条件下で、幅^２に従って変化することも予想されるため、非常に有益である。このことは、より広い流路を使用しようとする場合、全体的な分散に対する分配器の相対的な寄与が同じであることを意味する。これは、非常に有益な特性であることは明らかである。ＲＩ分配器のほぼ４乗のべき依存性は、総分散に対する分配器の相対的な寄与（幅^４とともに増加）が、最終的には常に床の相対的な寄与（幅^２とともに増加）を圧倒するので、まったく異なる挙動を意味する。

最後に、異なる分配器型（ＢＦ、ＲＩ、およびＭＭ_Ｉ）の目詰まりに対する感度は、図１（ａ）〜（ｄ）（赤いボックス）に示す多孔質領域での目詰まり度の百分率で工程変更を考慮することによりさらに詳細に研究した。流量は、全てのシミュレーションにおいて、１．３２μＬ／分で一定に保たれた。

図８に見られるように、目詰まり０％のＲＩ分配器の容積変動σ_ｖ ^２（０．１６５μＬ^２）は、ＢＦまたはＭＭ_Ｉ分配器の容積変動よりも約１０倍高い（σ_ｖ ^２＝０．１６５μＬ^２：σ_ｖ ^２＝０．０１３μＬ^２：０．０２６μＬ^２）。しかしながら、目詰まりの程度が増加する場合、ＲＩ分配器のσ_ｖ ^２値は、０．１６５μＬ^２から０．２９５μＬ^２まで比較的ゆっくりしか上昇しない。これは、セクション３．１ですでに述べたように、最も低い０％（σ_ｖ ^２＝０．０１３μＬ^２）の目詰まりを起こすＢＦ分配器とは対照的であるが、目詰まりの量を増やすと、σ_ｖ ^２が急上昇し、９０％の目詰まりで最大１．１６μＬ^２に達する。

０％の目詰まりでＭＭ_Ｉ分配器によって引き起こされる変動は、０．０２６μＬ^２でのＢＦ分配器の変動の約２倍であるが、この値は、ＢＦ分配器ほど目詰まりの程度に応じて急上昇することはない。結果として、ＭＭ_Ｉ分配器のσ_ｖ ^２は、約１５％の目詰まりでＢＦ分配器のそれを下回る。その後、ＭＭ_Ｉ−分配器は、７５％の目詰まりが発生するまでは、３種の分配器の間では最も低くなり、ＲＩ分配器を超えて短時間で上昇した後、８０％の目詰まりで０．０３１μＬ^２に低下する。

８０％の目詰まりで発生するＭＭ_Ｉによって引き起こされる変動の予想外の低下は、以下のように説明される。目詰まりした流路に進入する少量の種を考慮すると（図４中、破線楕円参照）、目詰まりした流路内の速度は、目詰まりのために他の流路内の速度よりもはるかに遅いため、これがこの流路を非常にゆっくりとしか離れないことに気付くことが重要である。結果として、検出器に到達する時間までに（または我々の場合、赤いモニタライン）、検出限界未満（最大ピーク値＜０．１％）に希釈される。言い換えれば、（小矢印によって示される）図５におけるＭＭ_Ｉ信号の第２のピークは、目詰まりの程度が７５％を超える場合、検出限界を下回る。

同様の影響がＢＦ分配器で発生するが（目詰まりした流路内の、非常にゆっくりとしか離れない種）、ＢＦ分配器を離れるバンドの非対称性によって影が薄くなる（図４）。実際、目詰まりしていない流路から流出する種の一部は、分配器から流出して完全にテールがひどいピークに至る（図５）。そこでは全圧が低いので、σ_ｖ ^２の値が高くなる前に、目詰まりの下の流路に漏れる（図４の赤い矢印）。

明らかに、異なる場所で目詰まりが発生した場合、複数の目詰まりスポットがある場合、または分配器の幅が異なる場合、図８で観察される追い越し曲線のパターンが異なる場合がある。それにもかかわらず、一般的な結論は同じままであると予想される。すなわち、ＢＦ分配器は、目詰まりがゼロ、または非常に低い％の場合には優れているが、ＭＭ分配器は、各分岐後に流動の再分配できる接触領域があるため、目詰まりが顕著になるとすぐに有利になる。これらの接触領域内の流動分配器の列の数（ｎ）は、目詰まりの確率に基づき選択され得る。この確率が入口付近でより大きいと見なされる場合、入口付近でより高いｎを、出口付近でより低いｎを接触領域に提供することは簡単なようである。

Claims (14)

1. 流体の流れを、小さい方の流体プラグから幅の広い方の流体プラグに分配するための分配器（１００）であって、流入口（１１０）および複数の流出口（１２０）と、前記流入口（１１０）と前記複数の流出口（１２０）の間の流路構造（１３０）と、を備え、前記流路構造（１３０）は、交互分岐流路下部構造（１３２）と、共通流路下部構造（１３４）と、を備え、前記下部構造（１３２、１３４）は、分岐流路下部構造（１３２）とは異なる流路を出る流体が、後続の共通流路下部構造（１３４）内で混合するように配置されることにより、前記分岐流路下部構造（１３２）の流路は、端部で前記後続の共通流路下部構造（１３４）に接触しないように配置される、分配器（１００）。
2. 前記共通流路下部構造（１３４）は、長軸が前記構造のネット順方向の流れに略垂直であり、前記共通流路下部構造（１３４）の端部は、前記長軸の終点に対応している、請求項１に記載の分配器（１００）。
3. 少なくとも１つの共通流路下部構造（１３４）は、相互に離間して配置される複数の柱要素で満たされる共通流路を備える、請求項１または２に記載の分配器（１００）。
4. 少なくとも１つの共通流路内の前記複数の柱要素は、偶数列に整列する柱要素であり、ｎ列ごとの異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置が、先の分岐する流路の出口と一致する一方、ｎ−１列ごとの異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置が、次の列の柱の中心線と一致する、請求項３に記載の分配器（１００）。
5. 前記各共通流路下部構造（１３２）は、相互に離間して配置される複数の柱要素で満たされている、請求項３または４に記載の分配器（１００）。
6. 各共通流路について、前記柱要素が、偶数ｎ列に整列し、ｎ列ごとの異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置が、先の分岐する流路の出口と一致する一方、ｎ−１列ごとの異なる柱間要素空間の中心線の半径方向の位置が、次の列の柱の中心線と一致する、請求項５に記載の分配器（１００）。
7. 前記入口（１１０）付近の共通流路下部構造（１３４）内の柱要素の列の数が、前記出口（１２０）付近の共通流路下部構造（１３４）内の柱要素の列の数よりも多い、請求項６に記載の分配器（１００）。
8. 前記柱構造が、矩形、ひし形、または楕円形である、請求項３〜７のいずれか一項に記載の分配器（１００）。
9. 前記共通流路下部構造（１３４）の共通流路内には柱構造が存在しない、請求項１または２に記載の分配器（１００）。
10. 流体出力の数は（２^ｍ）であり、ｍは自然数である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の分配器（１００）。
11. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載の分配器（１００）を備える、ミクロ流体構造。
12. クロマトグラフィシステムの分離構造である、請求項１１に記載のミクロ流体構造。
13. 請求項１１または１２に記載のミクロ流体構造を備える、クロマトグラフィシステム。
14. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の流れ分配器（１００）、または請求項１１もしくは１２に記載のミクロ流体構造を備える、化学反応器。

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