JP4716880B2 - マイクロ流体デバイス - Google Patents

Description

本発明は、化学反応等の各種の処理が流路内で行われるマイクロ流体デバイスに関する。

近年、微小流路を有するマイクロ流体デバイス内で化学反応等の各種の処理を行って物質の合成や分析等のプロセスに応用するマイクロプロセス技術に関する種々の提案がなされている。斯かるマイクロプロセス技術に関する技術として、例えば、下記特許文献１に記載のマイクロリアクターに関する技術が知られている。この技術は、外周面にネジ溝を設けた芯部材を外筒部材に密着嵌合させ、さらにこれらの部材の両端部を蓋部材で塞いで流路を形成したものである。

特開２００５−４６６５２号公報

ところで、この技術では、上述のように、芯部材と外筒部材の両端部を蓋部材で塞いだ構成としているため、形成された流路が芯部材と外筒部材の両端部まで達してしまい、シール性を向上させるためには、蓋部材の盤面と芯部材及び外筒部材の端面との間に高い密閉性が要求され、それらの表面加工に高い精度が必要とされる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、簡便な構成で高いシール性を得ることができるマイクロ流体デバイスを提供することを目的とする。

本発明は、互いに嵌合し合う流路形成部材どうしの間に流体の流路が配されているマイクロ流体デバイスであって、前記流路が前記流路形成部材どうしの嵌合範囲内に配されているマイクロ流体デバイスを提供することにより、前記目的を達成したものである。

本発明において、流路形成部材どうしの嵌合範囲内とは、嵌合によって流路形成部材どうしが互いに接触した接触面内を意味している。

ここで、一般的には嵌合とは形状が合ったものを嵌め合わせることをいう（特許技術用語委員会編、「特許技術用語集」、日刊工業新聞社）。本願明細書においても、形状が合った流路形成部材を嵌め合わせることをいい、嵌め合わせた際に流路形成部材間に隙間があっても、隙間がなくても良い。流路に流す流体の粘度が高く、流体を流すための圧力が低い場合には、隙間があっても問題がないからである。また、隙間がない場合には流路形成部材間に“締めしろ”がある状態となっており、本実施形態で記している焼き締め又は冷やし締め等で嵌合させる。このような場合には、高い圧力で流体を流しても、良好なシール性を得ることができる。なお、隙間や締めしろの大きさはＪＩＳ Ｂ ０４０１で規定している内容に準じる。

本発明のマイクロ流体デバイスによれば、簡便な構成で高いシール性を得ることができる。

以下、本発明をその好ましい実施形態に基づいて、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明のマイクロ流体デバイスを二流体の反応処理用のデバイスに適用した一実施形態を模式的に示すものである。図１において、符号１はマイクロ流体デバイス（以下、単にデバイスともいう。）を示している。

図１に示すように、本実施形態のデバイス１は、互いに嵌合し合う円柱状の形態を有するコア（一方の流路形成部材）２と円筒状の形態を有するカラー（他方の流路形成部材）３の間に螺旋状の流体の流路４、５が配されており、流路４、５がコア２とカラー３との嵌合範囲内に配されている。本実施形態においては、コア２とカラー３の嵌合範囲とは、嵌合によってコア２とカラー３とが互いに接触した接触面内を意味しており、図1においてカラー３の長さＬ３で表された範囲である。なお、上記流路４、５は互いに接触しない様に設けられている。

本実施形態では、流路形成部材どうしが焼き締めにより嵌合されており、加熱したカラー３にコア２を装入した後、カラー３を冷却することで、高い密着嵌合性を得ている。焼き締めを施す部分は、コア２とカラー３の流路を構成する溝を形成する範囲に応じて設定される。本実施形態では、カラー３の両端部から所定長さ範囲の部分に焼き締めが施されており、他の部分より高い密着嵌合性が得られている。

コア２及びカラー３は線膨張係数が同じ材料で構成することが好ましい。これにより、温度変化にかかわらずコア２とカラー３の高い密着嵌合性が維持される。

コア２及びカラー３の材質は、デバイスを適用する反応等使用条件に応じて選択される。好ましい材質としては、アルミニウム、鉄（鋼を含む）、ステンレス、チタン等や各種合金等の金属材料、セラミックス、ガラス等の非金属材料等が挙げられる。

互いに嵌合するコア２とカラー３の表面性はＪＩＳ Ｂ ０６０１で規定している中心線平均粗さＲａで評価される。中心線平均粗さＲａが６．３μｍ以下（仕上げ記号で三角２個）であることが好ましく、１．６μｍ以下（仕上げ記号で三角３個）であることがより好ましく、０．２μｍ以下（仕上げ記号で三角４個）であることがさらに好ましい。

本実施形態では、コア２の外周面２０に流路４を構成する螺旋状の溝２１が設けられており、カラー３の内周面３０に流路５を構成する螺旋状の溝３１が設けられている。溝２１、３１の各寸法は、デバイス１の大きさを考慮すると、幅は０．００５ｍｍ〜２ｍｍが好ましく、０．１ｍｍ〜１ｍｍがより好ましい。また、深さは０．００１ｍｍ〜２ｍｍが好ましく、０．０５ｍｍ〜１ｍｍがより好ましい。よって断面積は０．０００００５ｍｍ²〜４ｍｍ²が好ましく、０．００５ｍｍ²〜１ｍｍ²がより好ましい。溝２１、３１の長さは、反応させる流体の種類や反応時間等により適宜選択することができるが、コア２とカラー３の嵌合範囲の表面積に対する流路投影面積の割合は、デバイス１の大きさを考慮すると、１％以上９０％以下が好ましく、５％以上６０％以下がより好ましい。

コア２の両端部には、外部と前記流路４とを連通させる連通路２２〜２４が設けられている。カラー３には、外部と前記流路５とを連通させる連通路３２、３３が設けられている。

本実施形態のデバイス１では、連通路３２から熱媒体としての流体が供給され、連通路３３から排出される。この流体が流路５を通過する間にその熱が伝達されて流路４内の流体に伝えられる。一方、連通路２２、２３からは二種類の反応用の流体が供給され、これらの流体が流路４で反応し、反応を終えた流体が連通路２４から排出される。コア２の一端部には、カラー３の位置決め手段としてカラー３の端部に当接してカラー３を位置決めするリブ２５が設けられている。

以上説明したように、本実施形態のデバイス１は、嵌合されたコア２とカラー３の二部材の簡便な構成であるため、混合による反応と温度調整の二つの機能を備えているにも関わらず小型化が可能である。また、流路４、５が何れもコア２とカラー３の嵌合範囲内に配されており、また、同じ材料で焼き締めによって嵌合されているので、１μｍ以下といった高い加工精度を必要とせずに１ＭＰａ以上の高圧下においても高いシール性を得ることができる。さらに、本発明の技術を使用すると、上述のコアとカラーの表面性が中心線平均粗さＲａで０．２μｍ以下の場合には、さらなる高いシール性を得ることができる。

本発明は、前記実施形態に何ら制限されない。
例えば、図１及び図２ではコア２の長さはカラー３の長さより長く図示されているが、使用条件により各長さは適宜選択することができる。
前記実施形態では、流路形成部材を円柱状の形態のコアと円筒状の形態のカラーで構成したが、流路形成部材の形態はこれに制限されるものではない。例えば、流路形成部材を互いに嵌合し合う円筒状の形態を有するもので構成することもできる。また、流路形成部材は、２部材を嵌合させるようにしたが、３部材以上を嵌合させてそれらの間に流路を形成してもよい。

また、前記実施形態では、流路形成部材どうしを焼き締めによって嵌合させたが、冷やし締めによって嵌合させることもできる。例えば、予め冷却したコアをカラーに挿入した後、コアを膨張させてもよい。

また、前記実施形態では、嵌合させる流路形成部材を同じ線膨張係数で構成したが、デバイスの分解をし易くしてメンテナンスを容易にする上で、流路形成部材を線膨張係数の異なる材料で構成することもできる。

また、前記実施形態では、反応用の流体と温度調整用の流体の何れの流路もコアとカラーの間に配したが、例えば図２に示す実施形態のデバイス１’のように、反応用の流体の流路４を、コア２の外周面２０とカラー３の溝３１とで構成してコア２とカラー３との間に配し、温度調整用の流体の流路２６、２７をコア２の内部に配することもできる。また、反応用の流体の流路を、多重螺旋状のように複数の流路でコアとカラーの間に配することもできる。また、温度調整用の流体の流路を設けずに、カラーの外側に面状のシート状（或いはリボン状）のヒーターを配してもよい。

また、嵌合範囲内に配する流路の配設形態、断面形状、断面積及び長さは適用する処理に応じて任意に設定される。流路の配設形態としては、前記実施形態のような螺旋状のほか、例えばクランク状、直線状、又はこれらの組み合わせとすることもできる。また、流路の断面形状としては、前記実施形態のような矩形断面の他、例えば三角形、半円形等の形態が挙げられる。

また、前記実施形態では、デバイスを二流体の反応に適用したが、嵌合範囲内に配する流路の配設形態によって、これ以外の各種の反応、混合、分離、吸着、分配、抽出、希釈、濃縮、熱交換（加熱・冷却）又はこれらの組み合わせ等の各種の処理を行うこともできる。

また、前記実施形態では、コア側に位置決め手段としてリブを設けたが、カラー側にコアの位置決め手段を設けてもよい。

本発明のマイクロ流体デバイスの一実施形態を模式的に示す断面図である。 本発明のマイクロ流体デバイスの他の実施形態を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１ １’ マイクロ流体デバイス
２ コア（一方の流路形成部材）
２０ 外周面
２１ 溝
２２、２３、２４ 連通路
２５ リブ
２６、２７ 流路
３ カラー（他方の流路形成部材）
３０ 内周面
３１ 溝
３２、３３ 連通路
４、５ 流体の流路

Claims (2)

1. 互いに嵌合し合う流路形成部材どうしの間に流体の流路が配されているマイクロ流体デバイスであって、
   前記流路形成部材どうしが嵌合することで、該流路形成部材どうしが互いに接触した接触面が形成され、
   複数の独立した前記流路が前記流路形成部材どうしの嵌合範囲内であって、かつ前記接触面内に配されており、
   前記流路形成部材の一つが、他の前記流路形成部材に対する位置決めリブを有しており、
   複数の前記流路のうちの一つの流路に熱媒体としての流体が供給され、他の流路に反応用の流体が供給されるマイクロ流体デバイス。
2. 一方の前記流路形成部材が円柱状又は円筒状の形態を有しているとともに、他方の前記流路形成部材が円筒状の形態を有しており、
   一方の前記流路形成部材の外周面に、反応用の流体が供給される流路が形成されており、
   他方の前記流路形成部材の内周面に、熱媒体としての流体が供給される流路が形成されている請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。

Images